СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПЕНОАЛЮМИНИЯ Российский патент 2012 года по МПК B22F3/11 C22C1/08 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении материалов на основе пеноалюминия, обладающих уникальным набором свойств, как прочность, легкость, энергопоглощение, звуко- и теплоизоляция, негорючесть и экологичность.

Реализация изобретения способствует развитию технологий строительства, транспорта и машиностроения за счет внедрения спектра современных материалов, обладающих комплексом полезных потребительских свойств для вышеназванных областей использования, а также специальных применений (в том числе защите от взрыва и огнестрельного оружия, пожаров, электромагнитного излучения и др.) с уровнем затрат на производство, позволяющих заместить существующие конкурирующие материалы.

Известен способ получения пористых полуфабрикатов и готовых изделий из порошков алюминиевых сплавов, включающий в себя смешивание порошков алюминиевых сплавов с порофором с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса алюминиевого сплава, засыпку полученной смеси в неразборную емкость из алюминиевого сплава, нагрев емкости с порошковой смесью до температуры ниже температуры солидуса порошка алюминиевого сплава, горячее прессование в плотную заготовку, горячую деформацию плотной заготовки, охлаждение, помещение заготовки в форму из материала, химически не взаимодействующего с материалом заготовки и сохраняющую геометрию и размеры при термообработке, термическую обработку (патент РФ N 2085339, B22F 3/11, 3/18, 1995 г.).

Недостатком этого способа является низкий выход годного изделия по массе из-за образующихся в плотной заготовке после горячего прессования и горячей деформации несплошностей.

Известен способ получения пористых полуфабрикатов и готовых изделий из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков алюминиевых сплавов с порофорами с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса порошка алюминиевого сплава, засыпку полученной смеси в емкость из алюминиевого сплава, нагрев емкости со смесью порошков, горячее прессование, повторный нагрев, горячую деформацию прессованной заготовки, в частности прокаткой, ее охлаждение и последующую высокотемпературную обработку в форме с повторным охлаждением (патент №2154548, B22F 3/00, 3/24, 3/18, 1999 г.).

Недостатком этого способа является невысокая производительность вследствие значительного количества технологических операций и их продолжительности и, следовательно, достаточно высокая себестоимость изделий.

Известен способ получения пористых материалов из алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков исходного материала из алюминиевого сплава и порофора с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса алюминиевого сплава, получение плотной заготовки при температуре ниже температуры солидуса алюминиевого сплава, размещение заготовки в форме, сохраняющей геометрию и размеры при термообработке, выполненной из материала, химически не взаимодействующего с материалом заготовки, и термическую обработку, смешивание проводят в высокоэнергетической мельнице, при термообработке осуществляют нагрев до температуры интенсивного разложения порофора со скоростью 200-2500°C/мин. При этом в качестве исходного материала могут быть использованы отходы алюминиевых сплавов двух и более составов (патент РФ N 2335379, B22F 3/11, C22C 1/08, 2007 г.).

Указанный способ является наиболее близким аналогом настоящего изобретения по совокупности существенных признаков (прототипом).

Недостатками указанного способа являются ограниченная возможность получения различной структуры пористых изделий, и, как следствие, типовые (обычные) механические характеристики изделий, а также технологическая необходимость использования инертного газа (аргон, азот) при получении порошковой смеси, что усложняет технологическую цепочку и увеличивает производственные затраты.

Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в повышении механических характеристик конечного изделия при получении качественной структуры композиционного материала на основе пеноалюминия, в снижении энергопотребления при термической обработке (при вспенивании плотной заготовки).

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе получения изделий из композиционного материала на основе пеноалюминия, включающем получение порошковой смеси смешением порошков алюминиевого сплава с порофором, получение плотной заготовки, размещение плотной заготовки в форме для вспенивания, сохраняющей геометрию и размеры при термообработке, нагрев и вспенивание заготовки с получением изделия и охлаждение формы со вспененным изделием, нагрев плотной заготовки при вспенивании производят индукционным способом с полезной удельной мощностью электрического нагрева 20-40 кВт на 1 кг веса заготовки, форму для вспенивания изготовливают из диэлектрического материала, вспенивание осуществляют в воздушной атмосфере, а охлаждение вспененного изделия до температуры солидуса проводят со скоростью 100-250°C в минуту.

Кроме того, проводят дополнительную упрочняющую термическую обработку вспененного изделия.

Для приготовления порошковой смеси используют порошки алюминиевых сплавов, полученные из вторичного алюминиевого сырья и алюминиевых отходов.

В порошковую смесь дополнительно вводят упрочняющие добавки из порошкообразных керамических материалов.

Используют форму для вспенивания, выполненную из керамики. Используют форму для вспенивания, выполненную из стекла.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

Способ получения композиционных материалов на основе пеноалюминия (изделий) из порошков алюминиевых сплавов состоит в том, что порошки алюминиевых сплавов смешивают с порошком или гранулами вспенивающего материала, которым является гидрид титана, в количестве от 0,5 до 1,0% (массовых) с температурой разложения, превышающей температуру плавления порошка алюминиевого сплава. Смешение происходит, например, в вибросмесителе. Полученную смесь подают ровным слоем в плоский горизонтальный металлический формовочный контейнер, по размеру соответствующий требуемому размеру конечного изделия, и обеспечивают высоту слоя порошковой смеси в зависимости от требований к толщине изделия. Контейнер выполняют из стального листа и после загрузки порошковой смеси закрывают сверху плоским мерным листом с закрытием края контейнера по всему периметру. После этого получают плотную (скомпактированную) заготовку. Для этого в печи контейнер равномерно по всей площади нагревают до температуры 450-530ºC в зависимости от состава порошкового материала, и подают на горячее компактирование на прокатном стане. При этом обеспечивают удельное давление, достаточное для обеспечения относительной плотности скомпактированной порошковой смеси не менее 97% для получения качественной структуры пенометаллического слоя изделий при дальнейшем процессе вспенивания.

Скомпактированный контейнер охлаждают и материал контейнера механически отделяют от скомпактированной из порошка заготовки. Заготовку обрезают по краям по нужному размеру, укладывают в форму из диэлектрического материала (керамическую, стеклянную) и направляют на вспенивание. Незначительное количество образующихся при обрезке заготовки отходов направляют на измельчение и возвращают на получение порошковой смеси в начало технологического процесса. Стальной материал контейнера отправляется на утилизацию как вторичное сырье.

Форма из диэлектрического материала разборная и задает размер конечного изделия по периметру, а также толщину по вертикали. Для вспенивания заготовки необходимо расплавить ее материал и обеспечить разложение гидрида титана, которое происходит в зависимости от его состава при температуре 650-690ºC. Поэтому температура нагрева в печи вспенивания обычно составляет 720-800ºC.

Важнейшим технологическим фактором, определяющим, в частности, структуру конечного изделия, является регламентируемый режим нагрева и охлаждения скомпактированной заготовки при вспенивании, который в настоящем способе обеспечивается индукционным нагревом с полезной удельной мощностью электрического нагрева 20-40 кВт на 1 кг веса скомпактированной заготовки. Индукционный нагрев обеспечивает регулируемую высокую скорость нагрева заготовки, равномерность ее прогрева по объему и создает возможность реализации необходимого режима охлаждения формы из диэлектрического материала со вспененным изделием. Индукционная печь также обеспечивает снижение энергопотребления.

Уменьшение полезной удельной мощности нагрева менее 20 кВт на 1 кг веса плотной заготовки приводит к увеличению времени вспенивания и как следствие неконтролируемому локальному слиянию пор, их укрупнению, образованию неоднородностей и снижению прочностных характеристик изделия, а увеличение полезной удельной мощности нагрева более 40 кВт на 1 кг веса плотной заготовки приводит за счет слишком быстрого нагрева к неравномерному прогреву порошкового слоя и металлических плакирующих листов (при их использовании), неполному разложению вспенивающего материала и некачественной неоднородной структуре пористого слоя.

Для фиксации получаемой в жидком состоянии пористой структуры необходимо обеспечить малое время охлаждения вспененного расплава до температуры солидуса. В противном случае увеличение времени охлаждения также приведет к изменениям в структуре пористого слоя и потере прочностных характеристик. Это обеспечивается регламентируемой скоростью охлаждения вспененного изделия при нахождении в жидком состоянии до температуры солидуса в диапазоне скорости охлаждения 100-250ºC в минуту, а также тем условием, что форма для вспенивания изготовлена из диэлектрического материала (керамика, стекло). Такая форма индукционным нагревом не прогревается и способствует быстрому охлаждению вспененного изделия и энергосбережению.

Вспенивание и охлаждение в воздушной атмосфере упрощает технологию, в отличие, например, от использования инертной атмосферы, применение которой требует дополнительных затрат.

После охлаждения изделие достают из формы, которую направляют на производство следующего изделия, а вспененный композиционный материал является товарным изделием.

Кроме того, в частном случае реализации способа проводят дополнительную упрочняющую термическую обработку вспененного изделия. Для этого в качестве сырья должны быть использованы порошки, полученные из термически упрочняемых алюминиевых сплавов.

Кроме того, в частном случае реализации способа порошки алюминиевых сплавов получают из вторичного алюминиевого сырья и алюминиевых отходов.

Кроме того, в частном случае реализации способа в состав металлической порошковой смеси включают упрочняющие добавки из порошкообразных керамических материалов.

Возможность осуществления изобретения, охарактеризованного приведенной выше совокупностью существенных признаков, а также возможность реализации назначения изобретения, может быть подтверждена описанием следующих примеров.

Примеры реализации способа получения композиционных материалов на основе пеноалюминия применительно к производству плоских панелей состоят в следующем.

Пример 1.

Порошок алюминиевого сплава марки Д16 (термически упрочняемый сплав системы Al-Cu-Mg, температура ликвидус сплава 640-645ºC) в количестве 50 кг смешали с 0,4 кг вспенивающего материала - порофора (гидрид титана, температура разложения 650-690ºC). Смешение проводили в вибросмесителе. Смесь в количестве 10,6 кг засыпали в горизонтальный плоский стальной формовочный контейнер, выполненный из стали толщиной 0,8 мм, размером 950×950 мм и высотой 10 мм. Перед засыпкой смеси на поверхность контейнера засыпали 1,5 кг порошка алюминиевого сплава марки Д16 (без вспенивающего материала) с толщиной слоя 1 мм, и такой же слой засыпали на поверхность ровного порошкового слоя сверху. Формовочный контейнер предварительно уплотнили и закрыли сверху стальным листом, с выполнением завальцовки по периметру.

Закрытый контейнер нагрели в печи до температуры 500ºC и провели получение плотной заготовки (компактирование) горячей прокаткой на прокатном стане. После охлаждения кромку контейнера обрезали по периметру, контейнер открыли и получили плоскую скомпактированную заготовку толщиной 7 мм и относительной плотностью 97%.

Заготовку уложили в разборную керамическую форму для вспенивания размером 900×900 мм и высотой 19 мм, которую нагрели в индукционной печи в воздушной атмосфере до максимальной температуры 780ºC и быстро охладили. При этом полезная удельная мощность электрического нагрева составила 28-30 кВт на 1 кг веса заготовки. Использование индукционного нагрева скомпактированной заготовки при вспенивании позволяет обеспечивать эффективно регулируемый нагрев по всему объему изделия при последующем выполнении требуемых режимов охлаждения, что определяет формирование качественной структуры пенометаллического слоя и структуры композиционного материала в целом.

Для быстрого охлаждения форма со вспененным изделием была извлечена из печи. При этом средняя скорость охлаждения вспененного изделия до температуры солидуса составила 155-160ºC в минуту. После охлаждения форма была разобрана и из нее извлечена вспененная панель. Плотность полученной панели составила 0,65-0,67 г/см³. Панель имела ровные края и плоские верхнюю и нижнюю поверхности. Размер панели составил 900×900×19 мм. Загрузка двух крайних слоев порошка алюминиевого сплава без вспенивающего материала в формовочный контейнер обеспечила формирование плакирующих слоев, образованных расплавленным порошком без порофора, и ровную поверхность панели. Полученная панель была подвергнута механическим испытаниям на сжатие, которые показали механическую прочность 11 МПа.

Таким же способом была получена вторая панель, которая была термически упрочнена. После закалки и искусственного старения по режиму: закалка - 480-500ºC в течение 8 часов и последующее искусственное старение при 190ºC в течение 12 часов, упрочненная панель была подвергнута механическим испытаниям на сжатие, которые показали механическую прочность 17 МПа. По сравнению с исходным образец после закалки и искусственного старения показал более высокую прочность, что свидетельствует о целесообразности термической обработки пеноалюминиевой панели, полученной из термически упрочняемых сплавов.

Пример 2.

В данном примере в качестве сырья использовали порошок алюминиевого сплава марки Д16 (температура ликвидус сплава 640-645ºC), полученный из вторичного алюминиевого сырья. Порошок получали в высокоэнергетической (планетарной) мельнице марки «Гефест» из сортированного вторичного сырья сплава Д16 и средним размером частиц 4-6 мм, порошков карбида кремния и порофора. Количество сырья сплава Д16 составило 10,0 кг, 0,5 кг карбида кремния и 0,1 кг вспенивающего материала - порофора (гидрид титана, температура разложения 650-690ºC).

Смесь после планетарной мельницы в количестве 3,5 кг засыпали в горизонтальный плоский стальной формовочный контейнер, выполненный из стали толщиной 0,8 мм, размером 950×310 мм и высотой 10 мм. Формовочный контейнер предварительно уплотнили и закрыли сверху стальным листом, с выполнением завальцовки по периметру.

Закрытый контейнер нагрели в печи до температуры 500ºC и провели компактирование горячей прокаткой на прокатном стане. После охлаждения кромку контейнера обрезали по периметру и получили плоскую скомпактированную заготовку толщиной 6 мм и относительной плотностью 98-99%.

Заготовку уложили в разборную керамическую форму для вспенивания размером 900×300 мм и высотой 20 мм, которую нагрели в индукционной электрической печи до максимальной температуры 760ºC. Полезная удельная мощность электрического нагрева составила 35-36 кВт на 1 кг веса заготовки.

Для быстрого охлаждения форма со вспененным изделием была извлечена из печи. При этом средняя скорость охлаждения вспененного изделия до температуры солидуса составила 240-250ºC в минуту. После охлаждения форма была разобрана и из нее извлечена вспененная панель. Плотность пенометаллического слоя полученной панели составила 0,70 г/см³. Размер панели составил 900×300×20 мм. Полученная панель была подвергнута механическим испытаниям на сжатие, которые показали механическую прочность 25 МПа.

Приведенные примеры реализации изобретения обеспечивают возможность реализации назначения изобретения и достижения указанного технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению изделий из композиционных материалов на основе пеноалюминия. Из порошковой смеси, полученной смешением порошков алюминиевого сплава с порофором, получают плотную заготовку. Размещают ее в форме для вспенивания из диэлектрического материала, сохраняющей геометрию и размеры при термообработке, нагревают, вспенивают в воздушной атмосфере с получением изделия и охлаждают форму со вспененным изделием. Нагрев заготовки при вспенивании производят индукционным способом с полезной удельной мощностью электрического нагрева 20-40 кВт на 1 кг веса заготовки. Охлаждение вспененного изделия до температуры солидуса проводят со скоростью 100-250°C в минуту. Способ позволяет повысить механические характеристики изделия за счет получения качественной структуры и снизить энергопотребление при термической обработке. 5 з.п. ф-лы, 2 пр.

1. Способ получения изделий из композиционного материала на основе пеноалюминия, включающий получение порошковой смеси смешением порошков алюминиевого сплава с порофором, получение плотной заготовки, размещение плотной заготовки в форме для вспенивания, сохраняющей геометрию и размеры при термообработке, нагрев и вспенивание заготовки с получением изделия и охлаждение формы со вспененным изделием, отличающийся тем, что нагрев плотной заготовки при вспенивании производят индукционным способом с полезной удельной мощностью электрического нагрева 20-40 кВт на 1 кг веса заготовки, форму для вспенивания изготавливают из диэлектрического материала, вспенивание осуществляют в воздушной атмосфере, а охлаждение вспененного изделия до температуры солидуса проводят со скоростью 100-250°C/мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят дополнительную упрочняющую термическую обработку вспененного изделия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для приготовления порошковой смеси используют порошки алюминиевых сплавов, полученные из вторичного алюминиевого сырья и алюминиевых отходов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в порошковую смесь дополнительно вводят упрочняющие добавки из порошкообразных керамических материалов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют форму для вспенивания, выполненную из керамики.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют форму для вспенивания, выполненную из стекла.