СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛЕГИРОВАННОГО ПОРОШКА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ Российский патент 1998 года по МПК B22F9/04 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению методом механического легирования композиционных порошков на основе алюминия с высоким содержанием легирующих добавок, таких как бор, карбид кремния и другие. Из этих порошков путем горячего прессования, экструзии и т. п. могут быть получены композиционные материалы с улучшенными физико-механическими свойствами, используемые в производстве контейнеров для хранения и транспортировки радиоактивных материалов, при изготовлении пар трения и других узлов и деталей машин.

При получении механически легированных порошков возникает проблема придания им физико-механических свойств, которые обеспечивали бы необходимые характеристики конечного компактного материала. К таким свойствам могут быть отнесены структура и состав порошка, текучесть, микротвердость матрицы и другие свойства, обеспечивающие хорошую свариваемость компактного материала, отсутствие повреждений в околошовной зоне, снижение склонности к появлению горячих трещин при сварке с присадочной проволокой по сравнению со сплавом типа АМГ-6.

Известен способ получения легированного порошка на основе алюминия (авт. св. СССР N 1675062, кл. B 22 F 9/04, 1991) путем высокоэнергетической механической обработки в аттриторе порошкообразной шихты, содержащей алюминий и легирующий компонент, выбранный из группы переходных металлов. Механическая обработка шихты в аттриторе осуществляется в три стадии: сначала при температуре 20 - 80^oC в течение 1,5 - 2,0 ч, затем при 500 - 600^oC в течение 0,5 - 1,0 ч и затем при 20 - 80^oC в течение 2 - 4 ч. При этом на второй стадии происходит полное превращение порошка шихты в алюминид заданного состава с переводом его в аморфное состояние на третьей стадии обработки.

Недостатком данного способа является то, что получаемые аморфные алюминиды при компактировании требуют высокой температуры (1162^oC) и давления (105 МПа), а также последующей высокотемпературной термической обработки компактного материала при 1100^oC. Компактный материал характеризуется повышенной хрупкостью и низким качеством сварного шва.

Известен также способ получения легированного порошка на основе алюминия, (патент США N 4627959, кл. B 22 F 1/00, 1986) путем высокоэнергетической механической обработки в инертной атмосфере порошкообразной шихты с размером частиц 3 - 250 мкм, содержащей алюминий и одну или несколько легирующих добавок. Механическую обработку ведут в присутствии стеариновой кислоты, регулирующей процесс измельчения, которую вводят в количестве до 5% от массы исходной шихты. Высокоэнергетическую механическую обработку осуществляют до тех пор, пока насыпная плотность измельчаемой шихты не составит по меньшей мере 25% от плотности полностью компактированного материала при его экструзии. Расход энергии, исходя из скорости мельницы и общего числа оборотов, составляет 10⁴ - 10⁵ кДж/кг. Получаемый порошок имеет средний размер частиц менее 50 мкм (300 меш).

Недостатком данного способа является использование стеариновой кислоты в качестве регулирующего процесс реагента, что отрицательно сказывается на технологических характеристиках легированного порошка. Стеариновая кислота привносит в порошок до 2,5% углерода, что является нежелательным, и до 0,8% водорода, присутствие которого обусловливает возникновение пористости и ухудшение свариваемости компактного материала. Получаемый в результате порошок имеет избыточную (выше 3000 МПа) микротвердость, что приводит к повышению рабочей температуры последующего компактирования и оказывает отрицательное влияние на свариваемость компактного материала из-за образования интерметаллидов с коэффициентами термического расширения (КТР), отличающимися от КТР алюминиевой матрицы. Порошок характеризуется неправильной формой частиц, снижением их размера по отношению к исходному размеру и вследствие этого низкой текучестью. Использование насыпной плотности в качестве критерия завершения процесса механического легирования не позволяет однозначно оценить степень готовности порошка. Кроме того, использование для описания процесса геометрических критериев, таких как диаметр и длина барабана мельницы, диаметр шаров и его соотношение с диаметром мельницы, объемное заполнение шарами и т.п., затрудняет использование изобретения при других (меньших или больших) масштабах производства. Этот недостаток может быть устранен при использовании энергетических характеристик.

Изобретение направлено на решение задачи получения легированного порошка на основе алюминия со значениями микротвердости металлической матрицы в интервале 2300 - 3000 МПа и увеличенными средним размером частиц и текучестью порошка для улучшения микроструктуры и свариваемости композиционного материала.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения легированного порошка на основе алюминия путем высокоэнергетической механической обработки в инертной атмосфере порошкообразной шихты, содержащей алюминий, магний и один или более других легирующих компонентов, согласно изобретению используют шихту с размером частиц 1 - 500 мкм, расход энергии на механическую обработку составляет 10⁶ - 10⁷ кДж/кг шихты, а локальная мощность равна 10⁴ - 10⁵ кВт/кг шихты, при этом механическую обработку ведут до получения композиционного порошка с преимущественно сфероидной формой частиц, средний размер которых в 1,5 - 10,0 раз превышает средний размер частиц шихты. Поставленная задача решается также тем, что шихта содержит 1 - 4 мас.% магния с размером частиц 40 - 100 мкм. Решение поставленной задачи обеспечивается также тем, что в качестве легирующей добавки шихта содержит 2 - 30 мас.% бора с размером частиц 1 - 5 мкм. На решение поставленной задачи направлено то, что в качестве легирующей добавки шихта содержит 5 - 30 мас.% карбида кремния с размером частиц 1 - 15 мкм. На решение поставленной задачи направлено то, что шихта дополнительно содержит 1 - 4 мас.% меди с размерами частиц 20 - 100 мкм. Решение поставленной задачи обеспечивается и тем, что шихта содержит порошок алюминия с размером частиц 40 - 500 мкм.

При использовании шихты с размером частиц менее 1 мкм в составе порошка возрастает содержание кислорода, что отрицательно сказывается на технологических свойствах компактного материала, в частности свариваемости. При размере частиц шихты более 500 мкм требуется повышенная локальная мощность в процессе механической обработки, что приводит к сильному разогреву массы порошка и слипанию частиц в крупные конгломераты. При этом под локальной мощностью понимается кинетическая энергия, сообщенная материалу в единицу времени при соударениях мелющих тел с частицами порошка. Расчет величины локальной мощности проводился по методике, описанной А.Н. Стрелецким с соавторами (Proc. of 2nd Int. Conf. on Mechanical Alloying for Structural Applications, Ohio, 1993, р.51).

Затраты энергии на механическую обработку в количестве 10⁶ - 10⁷ кДж/кг шихты и величина локальной мощности 10⁴ - 10⁵ кВт/кг шихты обусловлены следующим. При затрате энергии менее 10⁶ кДж/кг шихты имеет место ухудшение равномерности распределения легирующей добавки в алюминиевой матрице, снижение микротвердости матрицы получаемого порошка и уменьшение среднего размера его частиц. При затрате энергии выше 10⁷ кДж/кг шихты частицы порошка могут образовывать крупные конгломераты, дальнейшая механическая обработка которых затруднительна. Если приложенная локальная мощность ниже 10⁴ кВт/кг шихты, процесс легирования идет неэффективно или вообще не идет, при локальной мощности выше 10⁵ кВт/кг шихты происходит ухудшение качества продукта ввиду чрезмерного наклепа порошка, так как затрудняется его дальнейшая обработка. Это выражается в значениях микротвердости выше 3000 МПа.

Осуществление механической обработки до получения композиционного порошка с преимущественно сфероидной формой частиц, средний размер которых в 1,5 - 10,0 раз превышает средний размер частиц шихты, способствует улучшению технологичности процессов дозирования и компактирования порошка. При размере частиц порошка, менее чем в 1,5 раза превышающем средний размер шихты, его текучесть недостаточна в силу незавершенности процесса механической обработки и это отрицательно сказывается на получении компактного материала. При размере частиц порошка, более чем в 10 раз превышающем средний размер частиц шихты, нарушается однородность состава отдельной частицы, что приводит к формированию неравномерной структуры и снижает качество получаемого материала.

Использование в шихте менее 1 мас.% магния не оказывает существенного положительного влияния на качество легированного порошка. Использование шихты с содержанием магния более 4 мас.% нерационально, так как все параметры процесса легирования при этой концентрации магния выходят на уровень насыщения. Применение порошка магния с размером частиц менее 40 мкм приводит к возрастанию его пирофорности и стоимости без образования дополнительного положительного эффекта. Применение порошка магния с размером частиц более 100 мкм не позволяет добиться равномерного распределения легирующего магния в алюминиевой матрице.

Использование шихты с содержанием бора менее 2 мас.% нерационально, так как при этом существенно снижается эффективность поглощения нейтронного излучения компактным материалом, изготовленным из такого порошка. Кроме того, при пониженной концентрации бора возможно создание борсодержащих сплавов традиционными способами. Шихта с содержанием более 30 мас.% бора позволяет создавать композиционный порошок на основе алюминия, однако такой порошок не обеспечивает прочностных показателей компактного материала. Применение бора с частицами менее 1 мкм не позволяет получить дополнительный технический эффект и экономически нецелесообразно, так как при увеличении дисперсности бора существенно возрастает его стоимость. Приготовление композиционного порошка из частиц бора с размером более 5 мкм требует значительного увеличения времени обработки исходной шихты для достижения требуемых свойств композиционного порошка.

Содержание карбида кремния в шихте менее 5 мас.% не оказывает существенного влияния на износостойкость компактного материала из данного композиционного порошка на основе алюминия, поскольку действие карбида кремния маскируется действием других компонентов шихты, в том числе влиянием постоянно присутствующего оксида алюминия. Шихта, содержащая более 30 мас.% карбида кремния, не обеспечивает достаточно прочных связей внутри частицы композиционного порошка и снижает ее пластичность, что в дальнейшем отрицательно сказывается на качестве изделия из компактного материала. Применение частиц карбида кремния с размером менее 1 мкм не дает дополнительного технического эффекта и экономически нецелесообразно. Использование частиц карбида кремния с размером более 15 мкм не позволяет приготовить при механической обработке шихты однородный композиционный порошок. При этом возникает потребность в значительном увеличении времени обработки и подводимой к шихте энергии.

Введение меди в состав легированного порошка повышает адгезию включений карбида кремния к алюминиевой матрице и, как следствие, увеличивает прочность и износостойкость получаемого компактного материала. Присутствие в шихте менее 1 мас.% меди не оказывает существенного влияния на эти характеристики компактного материала. Содержание в шихте более 4 мас.% меди нецелесообразно, так как дальнейшее увеличение не приводит к улучшению свойств компактного материала. Применение порошка меди с частицами менее 20 мкм технологически неоправданно, так как снижение размера вызывает увеличение стоимости медного порошка, качество же композиционного порошка остается на прежнем уровне. Использование медного порошка с частицами более 100 мкм приводит к увеличению времени механической обработки шихты для обеспечения равномерности распределения меди внутри частицы композиционного порошка.

Использование порошка алюминия с размером частиц менее 40 мкм нежелательно из-за отрицательного влияния повышенного содержания оксида алюминия на прочностные свойства сплава. Увеличение размера частиц алюминиевого порошка выше 500 мкм приводит к необходимости увеличения времени механической обработки шихты для достижения равномерного распределения компонентов шихты в алюминиевой матрице.

Пример 1. 100 г шихты, содержащей 66 г порошка алюминия с размером частиц 40 - 500 мкм, 4 г порошка магния с размером частиц 40-100 мкм и 30 г порошка бора с размером частиц 1-5 мкм, при этом средний размер частиц шихты составляет 330 мкм, помещают в шаровую мельницу, имеющую мощность привода 0,3 кВт, и подвергают обработке в атмосфере азота до получения порошка со сфероидной формой частиц и средним размером 500 мкм, что в 1,5 раза превышает средний размер частиц шихты. Для достижения этого результата потребовалась обработка в течение 200 ч, что отвечает расходу энергии 1•10⁶ кДж/кг шихты при КПД мельницы 0,5 и локальной мощности 1•10⁴ кВт/кг шихты. Легированный порошок имеет микротвердость 2800 МПа, его микроструктура характеризуется равномерным распределением бора в алюминиевой матрице. Текучесть порошка равна 65 с. Образцы, изготовленные из полученного порошка при температуре 420 - 450^oC, хорошо свариваются аргонно-дуговой сваркой, не имеют повреждений в околошовной зоне. Склонность к появлению горячих трещин при сварке с присадочной проволокой ниже, чем у сплавов типа АМГ-6.

Пример 2. 100 г шихты, содержащей 93 г порошка алюминия с размером частиц 40 - 500 мкм, 1 г порошка магния с размером частиц 40 - 100 мкм, 5 г порошка карбида кремния с размером частиц 1 - 15 мкм и 1 г порошка меди с размером частиц 20 - 100 мкм, при этом средний размер частиц шихты составляет 300 мкм, помещают в планетарную мельницу, имеющую мощность привода 0,5 кВт, и подвергают обработке в атмосфере аргона до получения порошка со сфероидной формой частиц и средним размером 600 мкм, что в 2 раза превышает средний размер частиц шихты. Для достижения этого результата потребовалась обработка в течение 100 ч, что отвечает расходу энергии 1,26•10⁶ кДж/кг шихты при КПД мельницы 0,7 и локальной мощности 2,0•10⁴ кВт/кг шихты. Легированный порошок имеет микротвердость 2300 МПа, его микроструктура характеризуется равномерным распределением карбида кремния в алюминиевой матрице. Текучесть порошка равна 70 с. Образцы, изготовленные из полученного порошка при температуре 420 - 450^oC, хорошо свариваются аргонно-дуговой сваркой, не имеют повреждений в околошовной зоне. Склонность к появлению горячих трещин при сварке с присадочной проволокой ниже, чем у сплавов типа АМГ-6.

Пример 3. 100 г шихты, содержащей 62 г порошка алюминия с размером частиц 40 - 200 мкм, 4 г порошка магния с размером частиц 40 - 100 мкм, 30 г порошка карбида кремния с размером частиц 1 - 15 мкм и 4 г порошка меди с размером частиц 20 - 100 мкм, при этом средний размер частиц шихты составляет 75 мкм, подвергают обработке в вибромельнице, имеющей мощность привода 1 кВт, в атмосфере азота до получения порошка со сфероидной формой частиц и средним размером 500 мкм, что в 6,7 раза превышает средний размер частиц шихты. Для достижения этого результата потребовалась обработка в течение 300 ч, что отвечает расходу энергии 7,6•10⁶ кДж/кг шихты при КПД мельницы 0,7 и локальной мощности 5•10⁴ кВт/кг шихты. Легированный порошок имеет микротвердость 3000 МПа, его микроструктура характеризуется равномерным распределением карбида кремния в алюминиевой матрице. Текучесть порошка равна 73 с. Образцы, изготовленные из полученного порошка при температуре 420 - 450^oC, хорошо свариваются аргонно-дуговой сваркой, не имеют повреждений в околошовной зоне. Склонность к появлению горячих трещин при сварке с присадочной проволокой ниже, чем у сплавов типа АМГ-6.

Пример 4. 100 г шихты, содержащей 97 г порошка алюминия с размером частиц 40 - 100 мкм, 1 г порошка магния с размером частиц 40 - 100 мкм и 2 г порошка бора с размером частиц 1 - 5 мкм, при этом средний размер частиц шихты составляет 60 мкм, подвергают обработке в аттриторе, имеющем мощность привода 1,5 кВт, в атмосфере аргона до получения порошка со сфероидной формой частиц и средним размером 600 мкм, что в 10 раз превышает средний размер частиц шихты. Для достижения этого результата потребовалась обработка в течение 240 ч, что отвечает расходу энергии 1•10⁷ кДж/кг шихты при КПД действия мельницы 0,6 и локальной мощности 1•10⁵ кВт/кг шихты. Легированный порошок имеет микротвердость 2300 МПа, его микроструктура характеризуется равномерным распределением бора в алюминиевой матрице. Текучесть порошка равна 80 с. Образцы, изготовленные из полученного порошка при температуре 420 - 450^oC, хорошо свариваются аргонно-дуговой сваркой, не имеют повреждений в околошовной зоне. Склонность к появлению горячих трещин при сварке с присадочной проволокой ниже, чем у сплавов типа АМГ-6.

Как видно из приведенных примеров предлагаемый способ позволяет получать легированные порошки на основе алюминия с содержанием бора или карбида кремния до 30 мас.%. При этом легированные порошки имеют микротвердость матрицы в пределах 2300 - 3000 МПа, преимущественно сфероидную форму частиц со средним размером 500 - 600 мкм, и равномерное распределение легирующих компонентов в алюминиевой матрице. Эти свойства обеспечивают высокую (65 - 80 с) текучесть порошков, их компактируемость в интервале температур 420 - 450^oC и хорошую свариваемость композиционных материалов на их основе.

Шихта с размером частиц 1 - 500 мкм, содержащая порошки алюминия, магния и одного или более других легирующих компонентов подвергается высокоэнергетической механической обработке в инертной атмосфере. Расход энергии на механическую обработку составляет 10⁶ - 10⁷ кДж/кг шихты, а локальная мощность равна 10⁴ - 10⁵ кВт/кг шихты, при этом механическую обработку ведут до получения композиционного порошка с преимущественно сфероидной формой частиц, средний размер которых в 1,5 - 10,0 раз превышает средний размер частиц шихты. В качестве легирующих добавок шихта может содержать 1 - 4 мас. % порошка магния с размером частиц 40 - 100 мкм, 2 - 30 мас. % порошка бора с размером частиц 1 - 5 мкм, 5 - 30 мас. % карбида кремния с размером частиц 1 - 15 мкм и 1 - 4 мас. % меди с размером частиц 20 - 100 мкм. В качестве основного компонента шихты используется порошок алюминия с размером частиц 40 - 500 мкм. Получают легированные порошки на основе алюминия с содержанием бора или карбида кремния до 30 мас. %. При этом легированные порошки имеют микротвер- дость матрицы в пределах 2300 - 3000 МПа, преимущественно сфероидную форму частиц со средним размером 500 - 600 мкм, текучесть в пределах 65 - 80 с и равномерное распределение легирующих компонентов в алюминиевой матрице. Эти свойства обеспечивают компактируемость порошков при температуре 420 - 450^oC и хорошую свариваемость композиционных материалов на их основе. 5 з.п.ф-лы.

1. Способ получения легированного порошка на основе алюминия путем высокоэнергетической механической обработки в инертной атмосфере порошкообразной шихты, содержащей алюминий, магний и один или более других легирующих компонентов, отличающийся тем, что используют шихту с размером частиц 1-500 мкм, расход энергии на механическую обработку составляет 10⁶ - 10⁷ кДж/кг шихты, а локальная мощность равна 10⁴ - 10⁵ кВт/кг шихты, при этом механическую обработку ведут до получения композиционного порошка с преимущественно сфероидной формой частиц, средний размер которых в 1,5 - 10,0 раз превышает средний размер частиц шихты. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шихта содержит 1-4 мас.% магния с размером частиц 40-100 мкм. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве легирующей добавки шихта содержит 2-30 мас.% бора с размером частиц 1-5 мкм. 4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве легирующей добавки шихта содержит 5-30 мас.% карбида кремния с размером частиц 1-15 мкм. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что шихта дополнительно содержит 1-4 мас.%, меди с размерами частиц 20-100 мкм. 6. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что шихта содержит порошок алюминия с размером частиц 40-500 мкм.