СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИТА Российский патент 2000 года по МПК C22C1/10 B22D19/14 

Изобретение относится к изготовлению композиционных материалов и может быть применено в металлургии, машиностроении, электротехнике и электронике.

Известны способы изготовления композиционных материалов с металлической матрицей, включающие заполнение армирующим компонентом матричного компонента, расплавление его, самопроизвольную пропитку расплавленным металлом армирующего компонента в присутствии усилителя пропитки (см. патенты РФ 1797603, кл. C 04 B 35/71, C 22 C 1/09, B 22 F 3/26 Б 7, 1993 г. с. 201; 1838441, кл. C 22 C 1/08, C 22 C 1/09, C 04 B 35/58, Б 32, 1993 г., с. 276; 2080964, кл. B 22 F 3/26, C 04 B 41/51, 41/88, 41/69 Б 16, 1997 г., с. 87).

Основным недостатком изготовления композиционных материалов указанными выше способами является длительная самопроизвольная пропитка с дорогостоящими усилителями. Это загрязняет структуру сплава и насыщает его газами, что приводит к снижению механических свойств, а процесс становится дорогим.

Известен способ получения композиционного материала с металлической матрицей, включающий приготовление расплава матричного сплава, введение в него твердых частиц армирующего компонента, перемешивание их с расплавом, последующее распыление расплава и твердых частиц армирующего компонента и их совместное осаждение на подложку (см. патент РФ 2035522, кл. C 22 C 1/10, 1/09 Б 14, 1995 г., с. 161).

Известен также способ изготовления металломатричных композитов, включающий нагрев до расплавления матричного компонента, поддержание его в расплавленном состоянии и перемешивание с твердыми частицами армирующего компонента (G. S. Hanumanth, G.A. Itons "Partiole incorporation by melt stining for the production of metal-matrix composites". Journal of material science, 28 (1993) 2459-2465).

Основным недостатком вышеуказанных способов является то, что практически во всех комбинациях металломатричных композитов отсутствует смачивание расплавом матрицы частиц армирующего компонента. Для замешивания твердых частиц армирующего компонента в расплав металла матрицы приходится перемешивание осуществлять в течение нескольких суток, в результате происходит загрязнение расплава, что снижает механические свойства композиционного материала, а в изделиях из него часто нельзя достигнуть стабильности характеристики по объему. Такие материалы не поддаются обычным способам обработки давлением. Для проведения этого процесса требуются специальное дорогостоящее оборудование и большие энергетические затраты, что делает композиционные материалы дорогими, а процесс их изготовления сложным.

Способ изготовления металло-матричного композита, описанный в статье G. S.Hanumanth, G.A. Itons "Partiole incorporation by melt stining for the production of metal-matrix composites". Journal of material science, 28 (1993) 2459-2465, по своей технической сущности и достигаемому техническому результату является наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбран за прототип.

Задача, на решение которой направлен заявляемый способ, заключается в повышении качества металломатричных композитов, расширении их технологических возможностей.

В предлагаемом способе изготовления металломатричного композита, включающем нагрев для расплавления матричного компонента, поддержание его в расплавленном состоянии и перемешивание с твердыми частицами армирующего компонента, для решения поставленной задачи дополнительно перед нагревом для расплавления матричный и армирующий компоненты в виде порошков смешивают, после чего обрабатывают взрывом, при этом обработку взрывом ведут при давлении 10-200 кбар, а перед обработкой взрывом после смешивания порошков компонентов при матричном компоненте со средним размером, равным 0,1-6,5 среднего размера порошка армирующего компонента, осуществляют спекание или при среднем размере порошка матричного компонента, равном 6,5-50,0 среднего размера порошка армирующего компонента - компактирование, причем в массу перемешиваемых порошков замешивают 5-35% от общей массы порошка армирующего компонента и при минимальном содержании армирующего компонента обработку взрывом ведут при минимальных давлениях из предлагаемого интервала давлений, а при максимальном содержании армирующего компонента обработку взрывом ведут при максимальных давлениях из предлагаемого интервала давлений. Кроме того, после спекания или компактирования перед обработкой взрывом осуществляют дополнительный нагрев перемешанных порошков матричного и армирующего компонентов до температуры 0,2-0,95 температуры плавления матричного компонента.

Технический результат при применении заявляемого способа выражается в том, что у металломатричных композитов повышаются механические свойства и стабильность характеристик по всему объему изделия.

Указанный выше результат получается за счет того, что способ по изобретению позволяет значительно снизить время перемешивания за счет того, что при обработке взрывом под действием высоких давлений происходит "схватывание" (практически сваривание) разнородных компонентов. При дальнейшем расплавлении по участкам сваривания наблюдается повышенная смачиваемость. Процесс замачивания порошка армирующего компонента в расплав матрицы значительно сокращается. Это и приводит к увеличению уровня механических свойств и повышению стабильности характеристик материала по объему изделия, а также снижается отрицательное влияние длительного периода перемешивания расплава матрицы с порошком армирующего компонента (отрицательное влияние - это неизбежное загрязнение материала в процессе длительного нагрева и перемешивания от контакта с технологическим оборудованием и инструментом и от химических реакций в смесях). Снижение отрицательного влияния длительности перемешивания и приводит к достижению повышенных значений механических свойств и стабильности характеристик по объему изделий. Таким образом, операцию обработки взрывом включают в технологическую цепочку, для того чтобы улучшить смачиваемость, так как обработка взрывом позволяет сваривать разнородные материалы. Для того чтобы эффект от операции обработки взрывом был высоким, предлагается максимально однородно распределить компоненты матрицы и армирующего материала между собой. Такое равномерное распределение предлагается осуществить за счет перемешивания компонентов в порошкообразном состоянии.

В способе предлагается также обработку взрывом вести при обеспечении давления 10-200 кбар. Исследования показали, что при обеспечении давления менее 10 кбар не происходит значительного схватывания материала матрицы и армирующего компонента, что не позволяет увеличить смачиваемость между компонентами после расплавления материала матрицы и, следовательно, не произойдет улучшения свойств материала. Для обеспечения давления более 200 кбар требуется усложненное технологическое оборудование и в то же время это не приводит к дальнейшему увеличению механических характеристик. Кроме того, при давлении выше 200 кбар возможен эффект разрушения композита за счет усиления волн разгрузки.

В способе предлагается также при смешивании порошков компонентов применять порошок матричного компонента со средним размером равным 0,1-6,5 среднего размера порошка армирующего компонента. Применять порошок матричного компонента с размером менее 0,1 среднего размера порошка армирующего компонента становится экономически невыгодно, так как в этом случае стоимость порошка резко возрастает. Максимальное отношение указанного интервала объясняется следующими причинами. Если рассмотреть плоскую модель взаимного расположения частиц и предположить, что форма частиц круглая, из геометрических соотношений вытекает, что для того, чтобы три большие частицы касались друг друга и маленькой частицы, размещенной между ними, требуется соблюдать соотношение между большими и маленькой частицами, равное приблизительно 6,9. На практике следует придерживаться несколько меньшей цифры, так как все частицы некруглой формы, и, кроме того, имеет место некоторая деформация в местах контакта. Именно поэтому выбрана цифра 6,5. То есть применение данного интервала обеспечит плотное прилегание частиц разных компонентов друг к другу при обычном перемешивании, что позволит в дальнейшем осуществить спекание порошков и достижение благоприятных условий для обработки взрывом.

В способе предлагается также при смешивании порошков компонентов применять порошок матричного компонента со средним размером, равным 6,5-50,0 среднего размера порошка армирующего компонента. Выше было показано, что отношение среднего размера порошка матричного компонента к среднему размеру порошка армирующего компонента, равное 6,5, является максимальным, при котором все порошинки касаются друг друга. При значениях выше, чем 6,5, такого плотного прилегания всех частиц нет, то есть существуют зазоры. Для определенных случаев это играет положительную роль, a именно значительная часть порошков, которые могут быть применены в качестве матрицы, имеют окисные пленки на поверхности частиц порошка. Эти окисные пленки ухудшают схватываемость матричного и армирующего компонентов в процессе обработки взрывом. При использовании порошков с отношением размеров 6,5-50,0 существуют зазоры между частицами. Деформирование какими-либо методами частиц порошка позволяет значительно очистить места контактов частиц матричного компонента с частицами армирующего компонента от окислов, что и приведет к улучшению схватывания при взрывной обработке и в дальнейшем - к улучшению смачиваемости при перемешивании компонентов. Итак, при отношениях менее 6,5 зазоры между частицами незначительные, для деформирования требуются значительные усилия. При отношении более 50 затруднено равномерное распределение порошка, так как порошок армирующего компонента будет скапливаться в больших зазорах между частицами матричного компонента.

В способе также предложено перед обработкой взрывом механически смешанные частицы компонентов спекать. Данная операция является эффективной подготовительной операцией перед обработкой взрывом, особенно при соотношении размеров порошков компонентов от 0,1 до 6,5, так как позволяет при минимальных затратах максимально увеличить площадь контакта частиц между собой.

В способе предложено также перед обработкой взрывом механически смешанные порошки компонентов компактировать. Данная операция позволяет при использовании порошков компонентов с отношением среднего размера порошка матричного компонента к среднему размеру порошка армирующего компонента от 6,5 до 50,0 эффективно освобождать контактирующие поверхности порошков от окислов и удалять из смеси газы, что повышает схватываемость порошков при обработке взрывом, и, следовательно, увеличивает смачиваемость компонентов при последующем перемешивании, и это приводит к увеличению механических свойств материала.

В способе предложено при перемешивании порошков компонентов армирующего компонента замешивать 5-35% от общей массы порошка, причем при минимальном содержании армирующего компонента обработку взрывом вести при минимальных значениях давлений из предлагаемого интервала давлений, а при максимальном содержании армирующего компонента обработку взрывом вести при максимальных значениях давлений из предлагаемого интервала давлений. Как было указано выше, предлагается интервал создаваемых давлений 10-200 кбар. То есть предлагается увеличивать давление при увеличении содержания порошка армирующего элемента в композиционном материале, причем зависимость изменения давления от изменения содержания порошка армирующего элемента предлагается принимать линейной. Исследования показали, что увеличение содержания армирующего компонента приводит к повышению прочности материала, то есть при повышении содержания армирующего компонента требуется прилагать большее усилие для деформации. В то же время было замечено, что необходимо увеличивать давление при увеличении содержания армирующего компонента для обеспечения схватывания компонентов. Это объясняется увеличением демпфирующих свойств у материала при увеличении содержания армирующего компонента, а также возникновением эффекта взрывного дробления частиц окисных пленок на их поверхности.

В способе предлагается также перед обработкой взрывом осуществлять дополнительный нагрев смеси порошков матричного и армирующего компонентов до температуры 0,2-0,95 температуры плавления матричного компонента. При этом нагрев и обработку взрывом осуществляют в неокислительной атмосфере для устранения возможности окисления порошков. Нагрев перед обработкой взрывом позволяет провести в большей степени разрушение окисной пленки на поверхности частиц, а также матричный элемент станет более пластичным и менее прочным. При температуре менее 0,2 температуры плавления эффект от нагрева становится незаметным (то есть не происходит заметного увеличения механических свойств металломатричного композита), но такой нагрев требует дополнительных затрат на нагрев и создание безокислительных условий. Поэтому применять нагрев менее чем 0,2 температуры плавления матричного компонента нецелесообразно. Применение температуры более 0,95 температуры плавления приведет к обязательному расплавлению матричного элемента в процессе обработки взрывом, то есть требует применения специального дорогостоящего оборудования для осуществления операции обработки взрывом.

Способ осуществляется следующим образом. Подготавливают порошки матричного компонента и порошки армирующего компонента. Соотношение порошков может составлять 5-35 мас. % порошка армирующего компонента и 95-65 мас.% матричного компонента. Средний размер порошка матричного компонента может составлять 0,1-50 средних размеров порошка армирующего компонента. Порошки смешивают механическими способами на соответствующем оборудовании. После этого смесь порошков обрабатывают взрывом, применив для этого специальную технологическую оснастку и оборудование. Затем обработанную взрывом смесь порошков подвергают нагреву для расплавления матричного компонента, поддерживают его в расплавленном состоянии и перемешивают с твердыми частицами армирующего компонента. После этого расплав разливают по требуемым формам и охлаждают.

В способе возможно обработку взрывом вести при давлении 10-200 кбар.

В способе возможно при смешивании порошков компонентов применять порошок матричного компонента со средним радиусом, равным 0,1-6,5 среднего размера порошка армирующего компонента. В этом случае возможно перед обработкой взрывом механически смешанные порошки компонентов спекать путем нагревания в неокислительной атмосфере.

В способе возможно при смешивании порошков компонентов применять порошок матричного компонента со средним размером, равным 6,5-50,0 среднего размера порошка армирующего компонента. В этом случае возможно перед обработкой взрывом механически смешанные порошки компонентов компактировать путем прессования.

В способе возможно при перемешивании порошков компонентов армирующего компонента замешивать 5-35% от общей массы порошков, причем при минимальном содержании армирующего компонента обработку взрывом вести при минимальных давлениях из предлагаемого интервала давлений, а при максимальном содержании армирующего компонента обработку взрывом вести при максимальных давлениях предлагаемого интервала давлений.

Кроме того, в способе возможно перед обработкой взрывом осуществлять дополнительный нагрев смешанных порошков матричного и армирующего компонентов до температуры 0,2-0,95 температуры плавления матричного компонента.

Пример 1. Подготовили порошок алюминиевого сплава (силумина), содержащего 7% кремния и 0,3% магния, и порошок карбида кремния. Алюминиевый сплав выступает в роли матричного компонента, а карбид кремния - армирующего компонента. Соотношение порошков составило 35 мас.% порошка карбида кремния (армирующего компонента) и 65 мас.% порошка алюминиевого сплава (матричного компонента). Средний размер порошка алюминиевого сплава (матричного компонента) равнялся 100 мкм, а средний размер порошка карбида кремния (армирующего компонента) равнялся 2 мкм. Отношение среднего размера порошка матричного компонента к среднему размеру порошка армирующего компонента составляло 50. Порошки смешали в мешалках. После этого смесь порошков поместили в специальное технологическое устройство (оснастку) и обработали взрывом во взрывной камере. Затем обработанную взрывом смесь порошков подвергли нагреву для расплавления матричного компонента, а именно до 730^oC, поддерживали эту температуру 4 ч, в течение которых осуществляется перемешивание полученной смеси в специальных автоматических мешалках при поддержании безокислительной атмосферы. После этого расплав разлили по формам и охладили.

Пример 2. Подготовили порошок алюминиевого сплава (силумина), содержащего 7% кремния и 0,3% магния, и порошок карбида кремния. Алюминиевый сплав выступает в роли матричного компонента, а карбид кремния - армирующего компонента. Соотношение порошков составило 5 мас.% порошка карбида кремния (армирующего компонента) и 95 мас.% порошка алюминиевого сплава (матричного компонента). Средний размер порошка алюминиевого сплава (матричного компонента) равнялся 4 мкм, а средний размер порошка карбида кремния (армирующего компонента) равнялся 40 мкм. Отношение среднего размера порошка матричного компонента к среднему размеру порошка армирующего компонента составило 0,1. Порошки смешали в мешалках. После этого смесь порошков поместили в форму и провели спекание порошков в безокислительной атмосфере при 580^oC. После этого спеченные порошки поместили в специальную технологическую оснастку, в которой поддерживали температуру подогрева 120^oC (что составляет 0,2 температуры плавления матричного компонента) и обработали взрывом во взрывной камере. Затем обработанную взрывом смесь порошков подвергли нагреву для расплавления матричного компонента, а именно до 740^oC, поддерживали эту температуру 5 ч, в течение которых осуществляли перемешивание полученной смеси в специальных автоматических мешалках при поддержании безокислительной атмосферы. После этого расплав разлили по формам и охладили.

Таким образом, предложенный способ изготовления металломатричных композитов позволяет повысить механические свойства на 15-20% и стабилизировать характеристики этих материалов до 10-15 по всему объему изделия (разброс по составам 10-15%) благодаря сокращению времени нагрева для расплавления матричного компонента и перемешивания его с твердыми частицами армирующего компонента путем смешивания их в порошкообразном состоянии и обработки взрывом перед нагревом.

При этом резко снижаются энергозатраты, упрощается оборудование, а стоимость композитных материалов снижается до 30%.

Изобретение относится к изготовлению композиционных материалов и может быть использовано в металлургии, машиностроении, электротехнике и электронике. Способ включает нагрев для расплавления матричного компонента, поддержание его в расплавленном состоянии и перемешивание с твердыми частицами армирующего компонента, при этом перед нагревом для расплавления матричный и армирующий компоненты в виде порошков смешивают и обрабатывают взрывом при давлении 10-200 кбар. При смешивании используют порошок матричного компонента со средним размером, равным 0,1-6,5 и 6,5-50,0 среднего размера порошка армирующего компонента. При этом в зависимости от размера порошка матричного компонента перед обработкой взрывом смешанные порошки компонентов спекают или компактируют. При перемешивании компонентов содержание армирующего компонента составляет 5-35% от общей массы порошка. Перед обработкой взрывом осуществляют дополнительный нагрев смешанных порошков матричного и армирующего компонентов до температуры 0,2-0,95 температуры плавления матричного компонента. Способ позволяет повысить механические свойства и стабильность характеристик по всему объему изделия из композита. 7 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления металломатричного композита, включающий нагрев для расплавления матричного компонента, поддержание его в расплавленном состоянии и перемешивание с твердыми частицами армирующего компонента, отличающийся тем, что перед нагревом для расплавления матричный и армирующий компоненты в виде порошков смешивают и обрабатывают взрывом. 2. Способ по пп. 1, отличающийся тем, что обработку взрывом ведут при давлении 10 - 200 кбар. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что при смешивании порошков компонентов используют порошок матричного компонента со средним размером, равным 0,1 - 6,5 среднего размера порошка армирующего компонента. 4. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что при смешивании порошков компонентов используют порошок матричного компонента со средним размером, равным 6,5 - 50,0 среднего размера порошка армирующего компонента. 5. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что перед обработкой взрывом смешанные порошки компонентов спекают. 6. Способ по любому из пп1, 2 и 4, отличающийся тем, что перед обработкой взрывом смешанные порошки компонентов компактируют. 7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что при перемешивании компонентов содержание армирующего компонента составляет 5 - 35% от общей массы порошка, причем при минимальном содержании армирующего компонента обработку взрывом ведут при минимальных давлениях интервала давлений, а при максимальном содержании армирующего компонента обработку взрывом ведут при максимальных давлениях интервала давлений. 8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что перед обработкой взрывом осуществляют дополнительный нагрев смешанных порошков матричного и армирующего компонентов до температуры 0,2 - 0,95 температуры плавления матричного компонента.