СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕ, АРМИРОВАННОЙ КВАЗИКРИСТАЛЛАМИ Российский патент 2011 года по МПК C22C1/04 B22F3/20 C22C9/00 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при получении композиционных материалов на металлической матрице, армированной квазикристаллами Al-Cu-Fe, которые предназначены для деталей узлов трения, работающих при температурах до 600°C, применяемых в авиационной, судостроительной, автомобилестроительной и других отраслях промышленности.

Материалы, получаемые методами порошковой металлургии, то есть путем приготовления порошковых смесей, содержащих как матричный металл, так и армирующие компоненты, и компактирования этих смесей при температуре и давлении до образования однородного композиционного материала, обладают оптимальным уровнем свойств, таких как прочность, коэффициент трения, износостойкость. Эти материалы также могут подвергаться операциям деформирования и механической обработки на промышленном оборудовании, что в сочетании с низким удельным весом делают их привлекательными для применения в движущихся конструкциях в качестве узлов трения.

Известен способ получения металлического композиционного материала (МКМ), включающий смешивание исходных порошков металлов, один из которых имеет высокую прочность и жесткость, а другой - абразивную стойкость и поверхностную твердость. После смешивания смесь компактируют и прессуют в изделие. Причем один порошок предпочтительно выполнен из быстро кристаллизующегося сплава, а другой включает хотя бы один элемент, выбранный из группы, содержащей Al₂O₃, Si₃N, BN, SiC, Al₄C₂, Al₈B₂O₁₅, B₂O₃. Полученный материал имеет сочетание таких свойств, как высокая прочность и абразивная стойкость (патент США № 6274082)

Недостатком способа являются высокая энергоемкость процесса и повышенная хрупкость полученного композиционного материала.

Известен способ получения металлического композиционного материала с высокой абразивной стойкостью для пар трения. Материал получают путем смешивания 75-85 мас.%. порошка основного металла, выбранного из группы, содержащей порошки Cu, Sn, сплава Cu-Sn и 15-20 мас.% твердых частиц с получением механически легированного порошка, и добавления не более 3% твердой смазки и 2-85 мас.% другого порошка, выбранного из группы, содержащей основные металлические порошки, с последующим формованием и спеканием. Твердые частицы выбраны из группы, содержащей FeMo, FeCr, FeTi, FeW, FeB, размер частиц менее 15 мкм. Твердая смазка должна быть выбрана из группы, содержащей CaF₂, MoS₂, BN, размер частиц 30 мкм (заявка KR 20010061913).

Недостатком способа являются низкие трибологические свойства полученного композиционного материала при температурах выше 300°C.

Наиболее близким по технической сущности и назначению, взятый за прототип, является способ получения металлического композиционного материала на алюминиевой матрице, армированной квазикристаллами системы Al-Cu-Fe. Способ заключается в приготовлении смеси порошка матрицы и квазикристаллов, получении из этой смеси заготовки путем горячего изостатического прессования при температуре 450°C в инертной атмосфере (аргон) в течение 4 часов, горячей прокатке при температуре 450°C и холодной прокатке (патент США № 5851317).

Полученный таким образом металлический композиционный материал обладает хорошими механическими свойствами, значительно выше, чем у алюминия.

Недостатком этого способа является сложность, продолжительность и высокая стоимость осуществления технологии, большие габариты оборудования для горячего изостатического прессования и прокатки, невысокая степень термохимической стабильности и износостойкости. Кроме того, способ не позволяет получать материалы с температурой эксплуатации до 600°C.

Технической задачей данного изобретения является разработка способа получения недорогого изотропного металлического композиционного материала, армированного квазикристаллами Al-Cu-Fe, с повышенной степенью термохимической стабильности, износостойкостью, бездефектной структурой, работающего при температурах до 600°C.

Для достижения поставленной задачи предложен способ получения композиционного материала на металлической матрице, армированной квазикристаллами, включающий смешивание порошка матрицы с порошком квазикристаллов Al-Cu-Fe, с последующим деформированием полученной смеси, отличающийся тем, что в качестве металлической матрицы используют порошок меди, перед смешиванием порошок квазикристаллов помещают в пресс-форму и пропитывают расплавом олова или свинца при температуре 300-400°C и давлении не более 400 МПа с последующим измельчением, а деформирование полученной смеси осуществляют путем прессования и экструдирования.

Измельчение пропитанных квазикристаллов проводят в две стадии, на первой стадии пропитанные квазикристаллы измельчают в мелкую стружку с размером частиц не более 0,3-0,4 мм, на второй стадии измельчают стружку в порошок дисперсностью не более 40 мкм. При высоких температурах квазикристаллы взаимодействуют с матрицей, образуя бинарные соединения, и распадаются. Предварительная пропитка свинцом или оловом создает барьерный слой на поверхности частиц квазикристаллов, что позволяет защитить квазикристаллическую фазу от химического взаимодействия с матрицей при технологических температурах прессования и экструзии.

Измельчение пропитанных квазикристаллов в две стадии позволяет получать порошки дисперсностью не более 40 мкм с меньшими энерго- и трудозатратами. Порошок квазикристаллов дисперсностью больше чем 40 мкм хуже распределяется в матрице и не обеспечивает изотропность и трибологические свойства металлического композиционного материала.

Применение в качестве матрицы медного порошка также обеспечивает повышение износостойкости за счет снижения коэффициента трения.

Примеры осуществления

Пример 1. Получение металлического композиционного материала - 90% Cu и 10% квазикристаллов AL-Cu-Fe (стабилизированы свинцом).

200 г порошка квазикристаллов Al-Cu-Fe засыпали в пресс-форму и пропитали 200 г расплава свинца на гидравлическом прессе при температуре 400°C, давлении 400 МПа. Полученный полуфабрикат измельчили в две стадии. Первая стадия измельчения произведена на токарном станке до размера частиц не более 0,3-0,4 мм. Вторая стадия проведена в планетарной мельнице со стальными шарами диаметром 6-7 мм. Измельчение производилось до образования порошка размером частиц 40 мкм. Подготовленный порошок квазикристаллов смешали с порошком меди (в соотношении 10% вес. наполнителя 90% вес. матрицы). Порошки смешивали в турбулентном смесителе в течение двух часов. Приготовленную смесь засыпали в капсулы из алюминиевой фольги и прессовали в брикеты на гидравлическом прессе при температуре 600°C и давлении 500-550 МПа. Полученные брикеты экструдировали в пруток. Готовый материал содержал заданные 10% наполнителя квазикристаллов, стабилизированных барьерным слоем, и 90% меди. При исследовании структуры макро- и микродефектов не обнаружено.

Пример 2. Получение металлического композиционного материала - 90% Cu и 10% квазикристаллов AL-Cu-Fe (стабилизированы оловом).

200 г порошка квазикристаллов Al-Cu-Fe засыпали в пресс-форму и пропитали 200 г расплава олова на гидравлическом прессе при температуре 300°C, давлении 400 МПа. Полученный полуфабрикат подвергли механической обработке поверхности, а затем измельчили в две стадии. Первая стадия измельчения произведена на токарном станке до размера частиц не более 0,3-0,4 мм. Вторая стадия проведена в планетарной мельнице со стальными шарами диаметром 6-7 мм. Измельчение производилось до образования порошка размером частиц 30 мкм. Подготовленный порошок квазикристаллов смешали с порошком меди (в соотношении 10%вес. наполнителя 90% вес. матрицы). Порошки смешивали в турбулентном смесителе в течение двух часов. Приготовленную смесь засыпали в капсулы из алюминиевой фольги и прессовали в брикеты на гидравлическом прессе при температуре 600°C и давлении 500-550 МПа. Полученные брикеты экструдировали в пруток. Готовый материал содержал заданные 10% наполнителя квазикристаллов, стабилизированных барьерным слоем, и 90% меди. При исследовании структуры макро- и микродефектов не обнаружено.

Пример 3. Получение металлического композиционного материала - 90% AL и 10% квазикристаллов AL-Cu-Fe - по технологии прототипа.

Смешали порошки квазикристаллов Al-Cu-Fe и алюминия (в соотношении 10%вес. квазикристаллов и 90% вес. алюминия). Методом горячего изостатического прессования (ГИП) получили из этой смеси заготовку. Полученную заготовку подвергли горячей прокатке и холодной прокатке.

Полученный металлический композиционный материал был исследован методом рентгенофазового анализа. Квазикристаллическая фаза практически вся распалась по причине взаимодействия с матрицей при технологических температурах. Материал, полученный этим способом, обладал более низкими свойствами, чем материалы, выполненные предлагаемым способом.

Из экструдированного прутка были сделаны образцы из разных частей. Исследования показали незначительное различие твердости разных частей прутка, что свидетельствует о изотропности материала.

№ п/п Часть прутка Твердость, НВ 1 верх 69 2 середина 70 3 низ 69

МКМ: 90% CuC и и 10% Al-Cu-Fe (стабилизированы свинцом).

№ п/п Часть прутка Твердость, НВ 1 верх 71 2 середина 72 3 низ 71

МКМ: 90% Cu и 10% Al-Cu-Fe (стабилизированы оловом).

№ п/п Часть прутка Твердость, НВ 1 верх 52 2 середина 55 3 низ 50

МКМ: 90% AL и 10% Al-Cu-Fe, по технологии прототипа.

Исследования плотности и пористости также подтвердили изотропность полученного материала.

Были проведены исследования степени износостойкости на образцах материалов, полученных по предлагаемому способу (1, 2) и способу прототипа (3). Степень износа на образцах МКМ, полученных по предлагаемому способу, составляет 4,32·10^-6,в то время как степень износа на образцах МКМ, полученных по способу прототипа, составляет 4,83·10^-4.

Износ контртела в образцах МКМ, выполненных по предлагаемому способу, слабо выражен, а в образцах, полученных по способу прототипа, износ контртела ярко выражен.

Образцы материалов, полученных разными способами, исследовали на степень термохимической стабильности. Образцы нагревали и выдерживали при различных температурах, затем с помощью рентгенофазового анализа устанавливали наличие квазикристаллической фазы и возможности образования новых второстепенных фаз. Было установлено, что вследствие взаимодействия неизолированных квазикристаллов с матрицей образуются новые бинарные соединения за счет перехода элементов из состава квазикристаллов в матрицу. При температуре 450°C квазикристаллическая фаза отчетливо заметна во всех образцах МКМ. При 500°C квазикристаллическая фаза полностью сохраняется в образцах МКМ, выполненных по примерам 1 и 2, но слабо различима в образцах, выполненных по технологии прототипа. При 550°C и 600°C квазикристаллическая фаза еще сохраняется в образцах, выполненных по примерам 1 и 2, в образцах, выполненных по технологии прототипа (пример 3), квазикристаллическая фаза не обнаружена.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет получать изотропный функциональный металлический композиционный материал с бездефектной структурой и высокими трибологическими свойствами, низким удельным весом, который может быть использован в деталях трения, работающих при температурах до 600°C.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов на металлической матрице, армированной квазикристаллами Al-Cu-Fe. Может использоваться для изготовления деталей узлов трения, работающих при температурах до 600°С, применяемых в авиационной, судостроительной, автомобилестроительной и других отраслях промышленности. Порошок квазикристаллов Al-Cu-Fe помещают в пресс-форму, пропитывают расплавом олова или свинца при температуре 300-400°С и давлении не более 400 МПа и измельчают. Полученный порошок смешивают с порошком медной матрицы, прессуют и экструдируют полученную смесь. Полученный изотропный металлический композиционный материал обладает высокой степенью термохимической стабильности, износостойкостью и бездефектной структурой. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ получения композиционного материала на металлической матрице, армированной квазикристаллами, включающий смешивание порошка матрицы с порошком квазикристаллов Al-Cu-Fe и последующее деформирование полученной смеси, отличающийся тем, что в качестве металлической матрицы используют порошок меди, перед смешиванием порошок квазикристаллов помещают в пресс-форму и пропитывают расплавом олова или свинца при температуре 300-400°С и давлении не более 400 МПа с последующим измельчением, а деформирование полученной смеси осуществляют путем прессования и экструдирования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение пропитанных квазикристаллов Al-Cu-Fe проводят в две стадии, при этом на первой стадии пропитанные квазикристаллы измельчают в мелкую стружку с размером частиц не более 0,3-0,4 мм, а на второй стадии измельчают стружку в порошок дисперсностью не более 40 мкм.