КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ГЛИНИСТЫХ МАСС И МЕТАЛЛИЧЕСКОГО НАПОЛНИТЕЛЯ Российский патент 2007 года по МПК C22C1/05 C04B33/00 C04B35/117 

Изобретение относится к композиционным материалам, используемым в машиностроении, химии, энергетике, аэрокосмической и автомобильной промышленности, для изготовления изделий, испытывающих ударные, динамические, сжимающие нагрузки с одновременным воздействием агрессивных сред и температуры благодаря их высокой прочности, малому удельному весу и возможности продолжительного срока службы.

В большинстве случаев в качестве металлокомпозиционных материалов широкого применения используются керметы, содержащие корунд, карбиды, нитриды, карбонитриды, их смеси в качестве матрицы и хром или сплав хрома с молибденом, кобальт, никель, железо или их сплавы в качестве металлического наполнителя [Химическая технология керамики и огнеупоров. / Под ред. П.П.Будникова. - М.: "Издательство литературы по строительству", - 1972, - 552 с.].

Недостатком известных металлокерамических материалов (керметов различного состава) являются высокие объемная масса, стоимость металлического наполнителя и керамической составляющей, температура обжига.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является металлокерамический материал, включающий порошок оксида алюминия и измельченную стружку алюминиевого сплава [Пат. РФ 2202643, МПК С22С 1/05. Способ получения композиционного материала из алюминиевого сплава (его вариант) и композиционный материал. / А.А.Аксенов, В.С.Золоторевский, А.Н.Солонин, В.К.Портной; Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет); №2001126240/02; Заявл. 26.09.01, Опубл. 20.04.03.].

Недостатком данного композиционного материала являются большая объемная масса, невысокие прочностные характеристики и его дороговизна.

Изобретение направлено на повышение прочностных характеристик при меньшей объемной массе, а также удешевление композиционного материала.

Это достигается тем, что металлокерамический материал, содержащий глинистую составляющую и алюминиевый наполнитель, согласно предлагаемому решению дополнительно содержит поверхностно-активное вещество и хлорид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

глинистая составляющая69,5-94,5алюминиевый наполнитель5,0-30,0хлорид алюминия0,3-0,4поверхностно-активные вещества0,1-0,2

Заявляемое решение отличается от прототипа тем, что заявляемый композиционный материал дополнительно содержит хлорид алюминия и поверхностно-активное вещество в предложенных авторами количественных соотношениях. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

В результате сравнения заявляемого технического решения не только с аналогами, но и с другими техническими решениями в данной области не обнаружено использования поверхностно-активных веществ и хлорида алюминия при изготовлении композиционных материалов на основе глинистых масс и алюминиевого наполнителя, при этом повышение прочностных свойств композита является неочевидным, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

В качестве глинистой составляющей могут использоваться каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые глины и другие глинистые компоненты, имеющие следующий химический состав (см. табл.1):

Таблица 1Химический состав глинистой составляющейПоказательSiO₂Al₂О₃Fe₂О₃TiO₂K₂OCaO+MgOП.п.п.Значение, %25-4535-650,3-1,20,5-1,60,9-2,30,3-4,85,0-13,6

В качестве алюминиевого наполнителя могут использоваться как чистый алюминий, так и алюминиевые сплавы с металлами, близкими по температуре плавления.

Использование алюминия в качестве наполнителя при производстве композиционного материала обусловлено высокой пластичностью, низкой температурой плавления и высокими технологическими свойствами. Кроме того, имеется известное химическое сродство наполнителя с глинистой составляющей, содержащей Al₂O₃.

Пределы содержания наполнителя определяются следующим: при содержании алюминия более 30 мас.% происходят значительные выплавы алюминия из материала в процессе его изготовления, сопровождающиеся разрыхлением структуры прослойками нестабильного оксида алюминия. Снижение содержания металла менее 5 мас.% приводит к ухудшению прочностных характеристик композиционного материала.

В качестве поверхностно-активных веществ могут использоваться неорганические кислоты, щелочи, соли неорганических кислот.

Введение от 0,3-0,4 мас.% хлорида алюминия и 0,1-0,2 мас.% поверхностно-активных веществ достаточно для протекания физико-химических реакций в композите. При большем содержании этих компонентов увеличивается стоимость композиционного материала, при меньшем содержании будет недостаточно активирована поверхность глинистой составляющей, что приводит к ухудшению прочностных свойств. Известно, что введение аналогичных поверхностно-активных веществ в композиционные материалы с высоким содержанием алюминиевого наполнителя способствуют образованию связей между составляющими компонентами за счет механической и физической адгезии. Применение хлорида алюминия и поверхностно-активных веществ способствует образованию известных связей в композите за счет механической адгезии, одновременно с этим происходит образование новых физико-химических связей между компонентами смеси. Образование последних является неочевидным, так как не вытекает из уровня техники. Таким образом, авторами впервые установлена неизвестность поведения хлорида алюминия в сочетании с поверхностно-активными веществами в заявляемых количественных соотношениях, в результате чего возрастают прочностные характеристики композиционного материала при снижении его объемной массы.

Количественное содержание компонентов предлагаемого и известных материалов приведено в табл.2.

Пример 1. 10 г порошка алюминия дисперсностью 100 мкм тщательно перемешивали с 40 г обогащенного каолина Глуховецкого месторождения дисперсность 64 мкм в шаровой мельнице в течение 20 мин. Полученный материал увлажняли 1,6 г 10% водного раствора AlCl₃ с одновременным введением 0,4 г 10% поверхностно-активного вещества - водного раствора триполифосфата натрия (в пересчете на сухое вещество хлорид алюминия составляет 0,4%, поверхностно-активное вещество составляет 0,1%). Полученную смесь закладывали в пресс-форму высотой 8 см, диаметром 2 см и прессовали методом полусухого прессования под удельным давлением 6-7 МПа. Полученный материал-сырец сушили до постоянной массы и подвергали термообработке в муфельной печи до температуры 1300°С (необходим плавный подъем с режимом 10°С/мин до температуры 200°С, затем необходима 30-минутная выдержка при данной температуре для удаления химически связанной воды и 30-минутная выдержка при температуре 580°С для полного перехода α-модификации кварца в β-форму), выдерживали в течение 60 мин и отжигали в течение 14 часов до полного его остывания. Образец композиционного металлокерамического материала имел объемную массу 2,55 г/см³, прочность на сжатие 265 МПа, водопоглощение 0,9%.

Для получения сравнительных данных параллельно проводились аналогичные эксперименты с другими количественными соотношениями компонентов. Данные по количественному содержанию компонентов приведены в табл.2. Результаты физико-механических испытаний представлены в табл.3.

Таблица 2
Количественное содержание компонентов в материалахКомпонентСодержание, мас.% Предлагаемый материалАналог (кермет)Прототип 12345678910  Корунд----------5125Каолиновая глина79,594,584,569,5----79,5---Монтмориллонитовая глина----94,584,579,569,5-79,5--Алюминиевый наполнитель205153051520302020675Модификатор AlCl₃0,40,40,40,40,40,40,40,40,30,3--Триполифосфат натрия0,10,10,10,10,10,10,10,10,20,2--Порошок Cr----------43-

Таблица 3
Свойства металлокомпозиционных материалов.ПоказательПредлагаемый материалАналог (кермет)Прототип 12345678910  Объемная масса, г/см³2,552,512,522,582,522,542,572,612,532,554,633,65Предел прочности при сжатии, МПа265225253201192208217186263215224160Усадка при обжиге, %8,79,59,08,26,96,76,25,88,86,414,5нет данныхТермостойкость циклов при 20-1350°С221717191819252022251025Водопоглощение, %0,90,70,81,96,06,26,47,00,96,40,5нет данных

Из табл.3 видно, что предлагаемый металлокомпозиционный материал обладает более высокими прочностными показателями при значительно меньшей объемной массе по сравнению с известными решениями, что позволяет существенно расширить область его применения. Удешевление композиционного материала происходит за счет значительного уменьшения энергозатрат на его производство, применения более дешевой глинистой составляющей.

Изобретение относится к получению композиционных материалов. Может использоваться в машиностроении, химии, энергетике, аэрокосмической и автомобильной промышленности для изготовления изделий, испытывающих ударные, динамические и сжимающие нагрузки с одновременным воздействием агрессивных сред и температуры. Металлокомпозиционный материал, содержащий, мас.%: глинистая составляющая - 69,5-94,5; алюминиевый наполнитель - 5,0-30,0; хлорид алюминия - 0,3-0,4; поверхностно-активное вещество - 0,1-0,2. Техническим результатом является повышение прочностных характеристик при уменьшении объемной массы. 3 табл.

Металлокомпозиционный материал, содержащий глинистую составляющую и алюминиевый наполнитель, отличающийся тем, что дополнительно содержит поверхностно-активное вещество и хлорид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Глинистая составляющая69,5-94,5Алюминиевый наполнитель5,0-30,0Хлорид алюминия0,3-0,4Поверхностно-активное вещество0,1-0,2