ПОРОШКОВЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ АКП-1ПК И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК C22C21/02 C22C1/04 B22F3/15 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к созданию конструкционных материалов с низким коэффициентом линейного температурного расширения, и может быть использовано в различных отраслях промышленности (приборостроительной, авиакосмической, ракетной, судостроительной, автомобильной и др.), в которых требуется сочетание таких свойств изделий, как низкий коэффициент линейного расширения, низкое значение магнитной восприимчивости, высокая размерная стабильность, малый удельный вес, вакуум-плотность.

Предшествующий уровень техники

Известно, что для изготовления деталей командных приборов применяют бериллий, который обеспечивает такие необходимые требования, как низкий коэффициент линейного температурного расширения, малый удельный вес, высокая размерная стабильность и др. (Никитин Е.А., Шестов С.А., Матвеев В.А. «Гироскопические системы. Элементы гироскопических приборов. - М.: Высшая школа, 1988, 432 с.).

Недостатком данного материала является его высокая стоимость и токсичность при обработке.

Известен композиционный материал, который состоит из сплава на основе алюминия с добавками 25% кремния, 5% никеля и тугоплавкого соединения 15% нитрида кремния (Патент РФ №2056120, МПК C22C 21/14, 32/00 от 17.05.91).

Недостатком этого материала является неудовлетворительная обрабатываемость резанием, что не позволяет получить высокоточные детали с высокой чистотой поверхности.

Известен порошковый композиционный материал, который состоит из сплава на основе алюминия с добавками кремния, оксида алюминия, бериллия и кристаллического кремния (Патент РФ №2175682, МПК C22C 21/02, 1/04 от 10.11.2001 г.).

Недостатком этого материала является наличие неоднородности в структуре, пониженная технологическая пластичность, использование в качестве легирующего компонента токсичного бериллия.

Известен способ получения композитного материала, включающий изготовление расплава, содержащего алюминий, медь, магний, и добавление к нему порошка карбида кремния (Романова B.C., Трубкина К.М. Производство прессованных полуфабрикатов из порошкового композита и исследование его свойств. Сб. Технология легких сплавов, ВИЛС, 1993, №12, с. 49-53).

Недостатком данного способа является повышенный коэффициент линейного температурного расширения и повышенная плотность получаемого материала.

Описание прототипа

Известен способ получения композитного материала, включающий изготовление расплава, содержащего алюминий, кремний никель, распыление этого расплава и добавление к нему порошка кристаллического кремния (патент РФ №2149201, МПК C22C 21/14, 32/00 от 20.05.2000 г.), принятый за прототип.

Технология получения материала, описанная в патенте РФ №2149201, включает следующую последовательность операций:

- размол порошка кремния до необходимой дисперсности в течение 24 часов;

- совместный размол и смешивание порошка CAC1-50 и порошка кремния в течение 16 часов;

- спекание при температуре (525-545)°C смеси порошков кремния и CAC1-50 в алюминиевом стакане в течение 8 часов;

- подпрессовка спеченных заготовок в прессе мощностью 750 т с выдержкой под давлением 1,5-3,0 мин;

- механическое снятие алюминиевого стакана с заготовки.

Недостатком этой технологии является то, что в качестве исходных компонентов при производстве используется кристаллический кремний ГОСТ 2169-69, неизбежной примесью которого является железо, количество которого в зависимости от марки кремния находится в интервале 0,5-1,5 мас.%. Железо влияет на магнитную восприимчивость материала, и его излишнее количество может привести к магнитным тяжениям, которые влияют на точностные параметры приборов. Например, при содержании железа в материале 0,55% величина показателя УФЗ, который характеризует уровень магнитной восприимчивости, равна 32 мкА, что превышает допустимое для приборов точной механики значение в 30 мкА.

Задача изобретения

Задачей, на которую направлено изобретение, является создание порошкового композиционного материала на основе алюминия, обладающего низким значением магнитной восприимчивости, низким коэффициентом линейного расширения, высокой размерной стабильностью, малым удельным весом и хорошей вакуум-плотностью.

Способ достижения поставленной задачи

Для решения поставленной задачи при производстве порошкового композиционного материала АКП-1ПК в порошок сплава САС1-50 (ТУ 48-0107-42-80) на основе алюминия, содержащего кремний, никель, железо и оксид алюминия, вводится порошок кремния необходимой дисперсности. Железо и оксид алюминия являются естественными примесями порошка САС1-50 и переходят в готовый композиционный материал. Для снижения содержания железа в готовом материале АКП-1ПК необходимо провести магнитную сепарацию порошка кремния, что позволяет удалить из порошка магнитные частицы, попавшие в него из исходного сырья и во время размола, и обеспечить содержание железа в готовом материале АПК-1ПК на уровне не выше 0,48 мас.%. Количество оксида алюминия, образующегося на поверхности частиц порошка САС1-50, ограничивается условиями и временем его хранения и не превышает 2,8 мас.% в готовом композите.

Вместо операции спекания смеси порошков кремния и CAC1-50 и подпрессовки спеченных заготовок в прессе вводятся операции дегазации порошковой смеси, засыпанной в алюминиевые капсулы, и газостатической обработки алюминиевых капсул с порошком (патент РФ 2288074 C1 от 22.08.2005 г.). Ограничение количества оксида алюминия на поверхности частиц порошка САС1-50 способствует образованию прочных межчастичных связей во время газостатического прессования. Это позволяет получить материал с мелкодисперсной структурой и минимальным количеством газовых примесей, что необходимо для обеспечения высоких физико-механических свойств и вакуум-плотности изделий из предлагаемого материала и сохранения этих свойств в течение длительного срока эксплуатации.

Предлагаемая технология состоит из следующей последовательности операций:

- размол порошка кремния до необходимой дисперсности;

- магнитная сепарация порошка кремния;

- смешивание порошка кремния и порошка CAC-1-50 (ТУ 48-0107-42-80);

- дегазация порошковой смеси, засыпанной в алюминиевые капсулы;

- газостатическая обработка алюминиевых капсул с порошковой смесью;

- механическое снятие алюминиевой оболочки.

С использованием приведенной технологии изготавливался материал со следующими физико-механическими свойствами (см. таблицу).

Проведенные испытания подтвердили, что величина магнитной восприимчивости материала, содержание железа в котором 0,48%, составляет 28 мкА, это значение не превышает требуемой величины в 30 мкА.

Величина магнитной восприимчивости измерялась с помощью крутильных весов компенсационного типа (Чечерников В.И. Магнитные измерения, М., 1963 г.). Образец полученного материала помещается на одном из концов коромысла, находящегося в неравномерном магнитном поле. Возникающая сила действует со стороны неравномерного магнитного поля на образец и вызывает вращающий момент, который отклоняет коромысло от положения равновесия. Для уравновешивания системы через компенсационную катушку, находящуюся на другой стороне коромысла, пропускают постоянный электрический ток. Изменяя автоматически силу тока в катушке, возвращают коромысло в начальное положение. Величина магнитной восприимчивости пропорциональна величине тока. Для точной работы приборов необходимо, чтобы величина тока была <30 мкА.

Для всех образцов материала, которые представлены в таблице, магнитная восприимчивость не превышает допустимые значения. Поэтому предложенный композиционный материал, содержание железа в котором ограничено 0,48%, получивший название АКП-1ПК (алюминиевый композит порошковый повышенного качества), обладает низкой магнитной восприимчивостью и не создает дополнительных магнитных тяжений, которые отрицательно влияют на работу приборов.

Таким образом, предложенная технология, включающая размол порошка кремния, смешивание его с порошком СФС1-50, засыпку полученной смеси в алюминиевую капсулу, получение путем дегазации и газостатической обработки компактного материала АКП-1ПК и механическое снятие алюминиевой оболочки, позволяет получать порошковый композиционный материал АКП-1ПК, содержащий следующее массовое соотношение компонентов: кремний 41-45,4%, никель 3,9-5,6%, оксид алюминия ≤2,8%, железо ≤0,48%, алюминий остальное, который обладает комплексом свойств, позволяющих применять его в качестве конструкционного материала для производства изделий точного приборостроения.

№ Величина тока, мкА Кол-во железа, мас.% Плотность, г/см³ Твердость,МПа КЛТР α^∗10^-61/K 1 28 0,48 2,63 1688 12,43 2 15 0,33 2,62 1662 12,55 3 8 0,3 2,62 1556 12,74

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к созданию легких материалов с низким коэффициентом линейного расширения, и может быть использовано в качестве конструкционного материала при создании командных приборов систем управления летательных аппаратов с высокими эксплуатационными характеристиками. Порошковый композиционный материал содержит, мас.%: кремний 41-45, никель 3,9-5,6, железо ≤0,48, оксид алюминия ≤2,8, алюминий остальное. Способ получения материала включает размол порошка кремния до необходимой дисперсности, магнитную сепарацию порошка кремния, смешивание порошка кремния с порошком алюминиевого сплава CAC1-50, засыпку полученной смеси в капсулу, вакуумную дегазацию и газостатическое прессование капсул с засыпанной смесью порошков и механическое снятие алюминиевой оболочки. При реализации изобретения получают нетоксичный материал, обладающий высокой размерной стабильностью, малым удельным весом, хорошей механической обрабатываемостью, низким коэффициентом линейного расширения, хорошей вакуум-плотностью и низкой магнитной восприимчивостью. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

1. Порошковый композиционный материал, содержащий алюминий, кремний, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид алюминия и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
кремний 41-45,4 никель 3,9-5,6 оксид алюминия ≤2,8 железо ≤0,48 алюминий остальное

2. Способ получения порошкового композиционного материала по п.1, включающий размол порошка кремния, смешивание его с порошком CAC1-50, засыпку полученной смеси в алюминиевую капсулу, получение компактного материала и механическое снятие алюминиевой оболочки, при этом после процесса размола порошок кремния подвергают магнитной сепарации до обеспечения содержание железа в нем ≤ 0,48 мас.%, а получение компактного материала проводят путем дегазации и газостатической обработки алюминиевой капсулы с порошковой смесью.