Способ получения спеченных изделий из одноосно спрессованных электроэрозионных нанодисперсных порошков свинцовой бронзы Российский патент 2021 года по МПК C22C1/05 B82B3/00 B22F3/23 B22F9/14 

Изобретение относится к способам получения спеченных изделий из бронзовых сплавов, в которых используются порошки связующей фазы со сферическими неагломерированными частицами, и может быть использовано при изготовлении изделий общего машиностроительного назначения.

Известен способ получения самосмазывающегося материала на медно-графитовой основе, содержащего медь с не менее 0,5% фосфора, 4-25% твердой смазки (графит), и около 20% свинца, включающий холодное прессование исходных порошковых компонентов материала, термическую обработку при 750-850°C и последующее горячее или холодное прессование (патент Великобритании №1148011, С 22 С 1/05, 1969).

Известен также способ изготовления композиционного материала на основе меди, включающий смешение исходных порошков меди, окислов металлов и графита в заданном соотношении, формование из подготовленной смеси контактов путем прессования под давлением 1-5 Т/см, последующее спекание в защитной атмосфере азота, водорода или вакууме при температуре 800-1000°C в течение 1-2 ч. Затем полученные контакты допрессовывают или калибруют, после чего проводят окончательный отжиг в защитной или нейтральной атмосфере при 450-500°C (авт. св. СССР №139379, С 22 С 1/05, 1960).

Недостатками этих способов являются многооперационность, низкое качество материала порошковых изделий вследствие относительно высокой конечной пористости и невысокие физико-механические свойства.

В основу изобретения положена задача осуществить такое получение порошкового материала для спекания, чтобы было обеспечено снижение затрат и повышение эффективности процесса спекания, а также уменьшение пористости.

Поставленная задача решается тем, что упомянутый порошок получается электроэрозионным диспергированием отходов свинцовой бронзы (ГОСТ 493-79) в дистиллированной воде на установке ЭЭД при следующих параметрах: частота следования импульсов 95…105 Гц; напряжение на электродах 190…200 В и емкость конденсаторов 65,5 мкФ, затем полученный порошок подвергали одноосному прессованию в стальной пресс-форме диаметром 10 мм при давлении 1500 МПа, выдерживали под давлением 2 мин, а затем скомпактированные образцы в трубчатой раскладной печи Nabertherm RS 80/300/13/P470 спекали в течение 12 часов при температуре 827ºС (1100 К) в среде аргона.

Получаемые этим способом порошковые материалы имеют в основном сферическую форму частиц. Причем, изменяя электрические параметры процесса диспергирования (напряжение на электродах, емкость конденсаторов и частоту следования импульсов) можно управлять шириной и смещением интервала размера частиц, а также производительностью процесса.

На фигуре 1 представлена схема процесса ЭЭД, на фигуре 2 показана схема процесса одноосного прессования, на фигуре 3 – микроструктура спеченного изделия, на фигуре 4 – элементный состав спеченного изделия, на фигуре 5 – дифрактограмма спеченного образца, на фигуре 6 – гистограмма распределения пор по размеру.

Порошковый материал получали в следующей последовательности.

На первом этапе производили сортировку отходов, их промывку, сушку, обезжиривание и взвешивание. Реактор заполняли рабочей средой – дистиллированной водой, отходы загружали в реактор. Монтировали электроды. Смонтированные электроды подключали к генератору. Устанавливали необходимые параметры процесса: частоту следования импульсов, напряжение на электродах, емкость конденсаторов.

На втором этапе – этапе электроэрозионного диспергирования включали установку. Процесс ЭЭД представлен на фигуре 1. Импульсное напряжение генератора 1 прикладывается к электродам 2 и далее к отходам 3 (в качестве электродов так же служили соответственно отходы свинцовой бронзы) в реакторе 4. При достижении напряжения определённой величины происходит электрический пробой рабочей среды 5, находящийся в межэлектродном пространстве, с образованием канала разряда. Благодаря высокой концентрации тепловой энергии, материал в точке разряда плавится и испаряется, рабочая среда испаряется и окружает канал разряда газообразными продуктами распада (газовым пузырём 6). В результате развивающихся в канале разряда и газовом пузыре значительных динамических сил, капли расплавленного материала выбрасываются за пределы зоны разряда в рабочую среду, окружающую электроды, и застывают в ней, образуя каплеобразные частицы порошка 7. Регулятор напряжения 8 предназначен для установки необходимых значений напряжения, а встряхиватель 9 передвигает один электрод, что обеспечивает непрерывное протекание процесса ЭЭД.

На третьем этапе проводится выгрузка рабочей жидкости с порошком из реактора.

На четвертом этапе происходит выпаривание раствора, его сушка, взвешивание, фасовка, упаковка. Затем полученный порошок прессовали и спекали.

Для получения компактированных материалов был использован метод одноосного прессования. Схема процесса изображена на Фигуре 2. Порошок помещали в гидравлический настольный пресс для ручного прессования таблеток HERZOG TP20. Прессование проводили в стальной пресс-форме диаметром 10 мм, при давлении 1500 МПа, выдержка под давлением 2 мин.

Скомпактированные образцы в трубчатой раскладной печи Nabertherm RS 80/300/13/P470, температура максимальная 1300°C спекали в течение 12 часов при температуре 827ºС (1100 К) в среде аргона.

При этом достигается следующий технический результат: получение спеченных изделий из одноосно спрессованных электроэрозионных нанокомпозиционных порошков свинцовой бронзы с частицами правильной сферической формы с невысокими энергетическими затратами и экологической чистотой процесса. При этом значительно уменьшается пористость и шероховатость, а также увеличивается твердость полученных спеченных изделий.

Пример 1.

Для получения порошков из отходов свинцовой бронзы методом электроэрозионного диспергирования в дистиллированной воде использовали установку ЭЭД (Пат. 2449859 Российская Федерация, МПК С22F 9/14, С23Н 1/02, B82Y 40/00. Установка для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов [Текст] / Агеев Е.В. и [др.]; заявитель и па-тентообладатель Юго-Зап. гос. ун-т. – № 2010104316/02; заявл. 08.02.2010; опубл. 10.05.2012, Бюл. № 13). При получении порошка использовали следующие параметры установки: отходы свинцовой бронзы диспергировали при напряжении на электродах 190-200В, емкости разрядных конденсаторов 65 мкФ, частоте следования импульсов 95-105 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение материала с образованием дисперсных частиц порошка.

Для получения компактированных материалов был использован гидравлический настольный пресс для ручного прессования таблеток HERZOG TP20. Прессование проводили в стальной пресс-форме диаметром 10 мм, при давлении 1500 МПа, выдержка под давлением 2 мин.

Скомпактированные образцы в трубчатой раскладной печи Nabertherm RS 80/300/13/P470, температура максимальная 1300°C спекали в течение 12 часов при температуре 827ºС (1100 К) в среде аргона.

Полученное спеченное изделие исследовали различными методами.

Методом оптической микроскопии было проведено исследование микроструктуры образцов (по поперечному шлифу). Поверхность образца шлифовали и полировали. Шлифование производили металлографической бумагой с крупным (№№ 60-70) и мелким зерном (№№ 220-240). В процессе шлифования образец периодически поворачивали на 90°. В процессе шлифования зафиксирована рыхлость краев образцов, которая приводила к откалыванию частиц и разрушению поверхности шлифа. Смывали частицы абразива водой и подвергали полированию на круге суспензиями из оксидов металла (Fе₃O₄, Сr₂O₃, Аl₂О₃). После достижения зеркального блеска, поверхность шлифа промывали водой, спиртом и просушивали фильтровальной бумагой.

Для изучения элементного состава и морфологии полученного спеченного изделия с помощью энерго-дисперсионного анализатора рентгеновского излучения фирмы EDAX, встроенного в растровый электронный микроскоп «QUANTA 200 3D», были получены спектры характеристического рентгеновского излучения в различных точках на поверхности образца и по поперечному шлифу. Микроструктура спеченного образца представлена на фигуре 3. Элементный состав спеченного образца представлен на фигуре 4. Установлено что основными элементами являются Cu (69,45 %); Pb (16,28 %); Zn (5,40 %); Sn (4,39 %).

Исследование фазового состава спеченного образца проводили методом рентгеновской дифракции на дифрактометре Rigaku Ultima IV в излучении Cu-K_α (длина волны λ = 0.154178 нм) с использованием щелей Соллера. На основании фигуры 5 было установлено, что основными фазами в спеченном образце являются Cu, Pb(Cu₂O₂), PbO_, Fe₃O₄.

Пористость определяли с помощью оптического инвертированного микроскопа Olympus GX51 с программным обеспечением для количественного анализа изображения. Подготовленные образцы не имели следов шлифования, полирования или выкрашивания структурных составляющих. Шлиф изготовляли по поперечному сечению (излому) целого изделия или части его площадью < 2 см². ПО “SIAMS Photolab”, которым оснащен микроскоп, разработано с учётом специфики применения методов цифровой микроскопии и анализа изображений для металлографического анализа соединений. Результаты исследования пористости представлены на фигуре 6, пористость составляет 0,61%.

Испытания твердости образцов по поверхности и поперечному шлифу проводили с помощью автоматической системы анализа микротвердости DM-8 по методу микро-Виккерса при нагрузке на индентор 50 г по десяти отпечаткам со свободным выбором места укола в соответствии с ГОСТом 9450-76 (Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников). Время нагружения индентора составило 15 с. В результате средняя твердость составила 66,73 HV.

Пример 2.

Для получения порошков из отходов свинцовой бронзы методом электроэрозионного диспергирования в дистиллированной воде использовали установку ЭЭД (Пат. 2449859 Российская Федерация, МПК С22F 9/14, С23Н 1/02, B82Y 40/00. Установка для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов [Текст] / Агеев Е.В. и [др.]; заявитель и патентообладатель Юго-Зап. гос. ун-т. – № 2010104316/02; заявл. 08.02.2010; опубл. 10.05.2012, Бюл. № 13). При получении порошка использовали следующие параметры установки: отходы свинцовой бронзы диспергировали при напряжении на электродах 190-200В, емкости разрядных конденсаторов 65 мкФ, частоте следования импульсов 95-105 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение материала с образованием дисперсных частиц порошка.

Для получения компактированных материалов был использован гидравлический настольный пресс для ручного прессования таблеток HERZOG TP20. Прессование проводили в стальной пресс-форме диаметром 10 мм, при давлении 750 МПа, выдержка под давлением 3 мин.

При данных режимах порошковый материал не спрессовался.

Пример 3.

Для получения порошков из отходов свинцовой бронзы методом электроэрозионного диспергирования в дистиллированной воде использовали установку ЭЭД (Пат. 2449859 Российская Федерация, МПК С22F 9/14, С23Н 1/02, B82Y 40/00. Установка для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов [Текст] / Агеев Е.В. и [др.]; заявитель и патентообладатель Юго-Зап. гос. ун-т. – № 2010104316/02; заявл. 08.02.2010; опубл. 10.05.2012, Бюл. № 13). При получении порошка использовали следующие параметры установки: отходы свинцовой бронзы диспергировали при напряжении на электродах 190-200В, емкости разрядных конденсаторов 65 мкФ, частоте следования импульсов 95-105 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение материала с образованием дисперсных частиц порошка.

Для получения компактированных материалов был использован гидравлический настольный пресс для ручного прессования таблеток HERZOG TP20. Прессование проводили в стальной пресс-форме диаметром 10 мм, при давлении 1500 МПа, выдержка под давлением 2 мин.

Скомпактированные образцы в трубчатой раскладной печи Nabertherm RS 80/300/13/P470, температура максимальная 1300°C спекали в течение 3 часов при температуре 750ºС в среде аргона.

При данных режимах порошковый материал не спекся.

Изобретение относится к способам получения спеченных изделий из порошков свинцовой бронзы и может быть использовано при изготовлении изделий общего машиностроительного назначения. Способ получения спеченных изделий из порошков свинцовой бронзы включает прессование порошка бронзы и спекание спрессованного материала с получением спеченного изделия. Прессованию подвергают наноразмерный сферический порошок свинцовой бронзы, полученный электроэрозионным диспергированием отходов свинцовой бронзы в дистиллированной воде при частоте следования импульсов 95-105 Гц, напряжении на электродах 190-200 В и емкости конденсаторов 65,5 мкФ, прессование порошка проводят путем одноосного прессования при давлении 1500 МПа с выдержкой в течение 2 минут, а спекание спрессованного материала осуществляют при температуре 827°С в среде аргона в течение 12 часов. Обеспечивается уменьшение пористости и увеличение твердости спеченных изделий. 6 ил., 3 пр.

Способ получения спеченных изделий из порошков свинцовой бронзы, включающий прессование порошка бронзы и спекание спрессованного материала с получением спеченного изделия, отличающийся тем, что прессованию подвергают наноразмерный сферический порошок свинцовой бронзы, полученный электроэрозионным диспергированием отходов свинцовой бронзы в дистиллированной воде при частоте следования импульсов 95-105 Гц, напряжении на электродах 190-200 В и емкости конденсаторов 65,5 мкФ, прессование порошка проводят путем одноосного прессования при давлении 1500 МПа с выдержкой в течение 2 минут, а спекание спрессованного материала осуществляют при температуре 827°С в среде аргона в течение 12 часов.