Способ получения антифрикционного алюмоматричного композиционного материала Российский патент 2023 года по МПК C22C1/05 B22F3/16 

Изобретение относится к технологии алюмоматричных дисперсно-упрочненных композиционных материалов, включающих в качестве матричного компонента алюминий или сплав на его основе, а в качестве дисперсного упрочнителя – высокомодульные частицы оксидов, карбидов, боридов, интерметаллидов. Оно может быть использовано для получения антифрикционных элементов, работающих в различных трибосопряжениях в условиях сухого трения.

К таким элементам предъявляется требование сочетания высокой износостойкости, прочности и малого коэффициента трения при невысокой плотности.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения антифрикционного алюмоматричного композиционного материала [1] (принятый за прототип), включающий приготовление шихты смешиванием матричного алюминиевого порошка, состоящего из частиц пластинчатой формы со стеариновым покрытием (алюминиевый порошок марки ПАП-2), с водным раствором поливинилового спирта (ПВС) (содержание ПВС - 3% масс на сухой остаток вещества), сушку смеси и ее прессование под давлением 300 МПа, термообработку порошковых заготовок в вакууме (630 ⁰С, 1ч), их уплотнение прессованием под давлением 700 МПа и спекание в вакууме (650 ⁰С, 0,16 – 2,0 часа).

По способу-прототипу достигается получение антифрикционного алюмоматричного композиционного материала со слоистой структурой благодаря жидкофазному сращиванию пластинчатых алюминиевых частиц вследствие образования расплава эвтектического состава (Al-Al₄C₃) на их поверхности в процессе термообработки в вакууме (углерод на поверхности частиц выделяется в результате термодеструкции стеарина и сухого остатка ПВС, после чего происходит синтез алюмокарбидной фазы и образование эвтектического расплава). В данном случае дисперсное упрочнение композита реализуется вследствие кристаллизации наноразмерных алюмокарбидных частиц из эвтектического расплава при охлаждении от температуры спекания (по принципу in-situ).

Благодаря слоистой структуре в сочетании с эффектом дисперсного упрочнения такой алюмоматричный композиционный материал обладает повышенным сопротивлением разрушению при статическом нагружении и при ударе.

Однако недостатком материала, полученного по способу-прототипу, являются недостаточные показатели по износостойкости и коэффициенту трения – скольжения при его эксплуатации в парах трения.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение износостойкости, снижение коэффициента трения-скольжения при сохранении достаточно высокой прочности антифрикционного алюмоматричного композиционного материала.

Для выполнения поставленной задачи в способе получения антифрикционного алюмоматричного композиционного материала, включающем приготовление шихты, содержащей матричный алюминиевый порошок, состоящий из частиц пластинчатой формы со стеариновым покрытием, прессование шихты, термообработку порошковых заготовок в вакууме, их последующее уплотнение путем прессования и спекание в вакууме, в шихту вводят добавку мелкодисперсного порошка алюминида никеля в количестве 30-40% масс с размерами частиц 10^-2 – 10^-1 мкм, предварительно синтезированного путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в вакууме из смеси матричного алюминиевого порошка и порошка никеля с размерами частиц 0,5 – 5,0 мкм при их соотношении по массе от 2:1 до 1:1, затем проводят механическую обработку шихты в планетарной мельнице с добавкой алюминида никеля при соотношении массы твердосплавных сферических тел к массе шихты от 4 : 1 до 6 : 1 в течение 40 – 60 минут, прессование шихты проводят под давлением 500-700 МПа, термообработку порошковых заготовок в вакууме проводят при температуре 640 – 650 ⁰С в течение 40 – 60 минут, их последующее уплотнение проводят под давлением 750 – 900 МПа, а спекание в вакууме – при температуре 630 – 640 ⁰С в течение 30 – 60 минут.

Кроме того, в способе получения антифрикционного алюмоматричного композиционного материала для инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза смесь матричного алюминиевого порошка с порошком никеля предварительно подвергают механической обработке в планетарной мельнице при соотношении массы твердосплавных сферических тел к массе порошковой смеси от 8 : 1 до 10 : 1 в течение 60 – 70 минут, затем полученную порошковую смесь нагревают в вакууме до температуры 580 – 600 ⁰С с изотермической выдержкой 10 – 15 минут.

Для получения материала по заявленному способу в качестве матричного порошка использовали алюминиевый порошок марки ПАП-2 (ГОСТ 5494-95), состоящий из частиц пластинчатой формы (преобладающие размеры частиц: по длине 10-100 мкм, по ширине 5-50 мкм, по толщине 0,2-0,5 мкм). Частицы порошка, как продукта промышленной поставки, покрыты тонким слоем стеарина (3% масс), вводимым в качестве жировой добавки на этапе их измельчения в соответствии со стандартным технологическим процессом.

Согласно предложенному способу, в состав шихты, содержащей алюминиевый матричный порошок, вводили добавку интерметаллида – алюминида никеля (Al₃Ni), предварительно синтезированного методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Для этого приготавливали смесь матричного порошка (ПАП-2) с порошком карбонильного никеля (ПНК – УТ1, ГОСТ 9722-97) из которого выделяли узкую фракцию частиц с размерами (d) 0,5 – 5 мкм. Снижение d менее 0,5 мкм и увеличение более 5 мкм не целесообразно, так как нарушается однородность порошковой смеси из-за значительного агломерирования частиц (при d < 0,5 мкм) и появления крупных включений (при d > 5мкм).

Соотношение (М₁) массы матричного порошка и порошка никеля в смеси варьировали от 1:1 до 2:1. В этом случае, при 1:1≤ М₁ ≤ 2:1, доминирующей фазой в СВС – продукте был алюминид никеля (Al₃Ni). Отклонение от этого соотношения не целесообразно, так как это приводило к значительному содержанию в СВС-продукте свободного алюминия или никеля.

Перед проведением процесса СВС данную смесь подвергали механической обработке в планетарной мельнице в течение (τ) 60 – 70 минут, варьируя соотношение (М₂) массы твердосплавных сферических тел к массе порошковой смеси от 8 : 1 до 10 : 1. Увеличение М₂ – более 10 и τ - более 70 минут не целесообразно, так как при выбранных параметрах достигалась необходимая механическая активация поверхности частиц компонентов порошковой смеси. Снижение этих параметров менее 8 и 60 минут – соответственно, не допустимо, так механическая активация поверхности частиц порошковых компонентов не достигалась.

Для проведения СВС - синтеза алюминида никеля полученную порошковую смесь нагревали в вакууме до температуры (Т₁) в интервале 580 – 600 ⁰С с выдержкой при заданной температуре в течение (τ₁) 10 – 15 минут. Снижение Т₁ менее 580 ⁰С невозможно, так как не происходило инициирования СВС – процесса. Превышение Т₁ более 600 ⁰С не целесообразно, так как при 580^⁰С ≤ Т₁ ≤ 600^⁰С наблюдался СВС – синтез алюминида никеля вследствие протекания экзотермической реакции взаимодействия между алюминиевым порошком ПАП-2 и порошком никеля со «взрывоподобным» диспергированием пластинчатых частиц ПАП-2 (данная реакция классифицируется как безгазовый СВС – процесс [2]). Уменьшение τ₁ менее 10 минут не целесообразно, так как недостаточно времени для прогрева смеси и инициирования экзотермической реакции между порошковыми компонентами. Увеличение τ₁ более 15 минут также не целесообразно, поскольку в интервале (10 минут ≤ τ₁ ≤ 15 минут) достаточно времени для прогрева смеси, ее зажигания и протекания экзотермической реакции между порошковыми компонентами.

При выбранных параметрах СВС- синтеза достигается получение СВС – продукта – порошка Al₃Ni с размерами частиц (d₁) наноразмерного диапазона (10^-2 – 10^-1 мкм), что является принципиальным для выполнения технической задачи данного изобретения. Превышение верхней границы d₁ более 10^-1 мкм и понижение нижней границы d₁ менее 10^-2 мкм не обеспечивало равномерно-гомогенной структуры спеченного композиционного материала и достижения требуемого уровня триботехнических свойств. В состав СВС – продукта также входил свободный алюминий (1 -3 % об) и карбид алюминия (~1 % об), которые можно рассматривать как примесные фазы.

Для получения шихты к алюминиевому матричному порошку добавляли порошок Al₃Ni (СВС – продукт) в количестве (К) 30 – 40 % масс. Снижение К менее 30% приводило к увеличению износа и коэффициента трения-скольжения разработанного антифрикционного алюмоматричного композита. Увеличение К более 40% приводило к снижению прочности данного композита.

Перед прессованием шихту (ПАП-2 + СВС – продукт) подвергали механической обработке в планетарной мельнице в течение (τ₂) 40 – 60 минут, варьируя соотношение (М₃) массы твердосплавных сферических тел к массе шихты от 4 : 1 до 6 : 1. Увеличение М₃ более 6 и τ₂ более 60 минут невозможно, поскольку приводило к разрушению пластинчатых частиц матричного порошка ПАП-2, их склепыванию и образованию округлых гранул. Вследствие этого не представлялось возможным обеспечить получение слоистой структуры спеченного материала. Снижение М₃ менее 4 и τ₂ менее 40 минут не допустимо, так как не достигалась необходимая механическая активация поверхности частиц порошковых компонентов.

Прессование шихты проводили под давлением (Р₁) 500 – 700 МПа. Снижение Р₁ менее 500 МПа приводило к снижению прочности спеченного материала, увеличение Р₁ более 700 МПа приводило к образованию расслойных трещин при снятии давления прессования вследствие эффекта упругого последействия.

Термообработку порошковых заготовок в вакууме проводили при температуре (Т₂) 640 – 650 ⁰С в течение (τ₃) 40 – 60 минут. Снижение Т₂ менее 640 ⁰С и τ₃ менее 40 минут не обеспечивало достаточной прочности порошковой заготовки, наблюдалось выкрашивание кромок образцов. Увеличение Т₂ более 650 ⁰С и τ₃ более 60 минут не целесообразно, так как наблюдалась значительная рекристаллизация частиц алюминида никеля, что приводило к снижению прочности спеченного композита.

Уплотнение материала проводили путем прессования полученных порошковых заготовок под давлением (Р₂) 750 – 900 МПа. Уменьшение Р₂ менее 750 МПа приводило к снижению прочности спеченного материала. Увеличение Р₂ более 900 МПа не целесообразно, поскольку при данном значении давления прессования достигается теоретическая плотность композиционного материала.

Спекание материала проводили в вакууме при температуре (Т₃) 630 – 640 ⁰С в течение (τ₄) 30 – 60 минут. Снижение Т₃ менее 630 ⁰С и τ₄ менее 30 минут не обеспечивало необходимой высокой прочности спеченного композита. Увеличение Т₃ более 640 ⁰С и τ₄ более 60 минут приводило к рекристаллизации частиц алюминида никеля и ухудшению триботехнических характеристик материала.

Примеры реализации заявленного способа

Пример 1. Согласно предложенному способу предварительно проводили синтез интерметаллида – алюминида никеля (Al₃Ni) методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Для этого смешивали 20 г матричного порошка (ПАП-2) с 10 г порошка карбонильного никеля (ПНК – УТ1) узкой фракции, d = 0,5 – 5 мкм (М₁ = 2:1).

Полученную смесь загружали в горячепрессованную корундовую емкость (объемом 1130 см³) планетарной мельницы «Санд – 1». В эту же емкость загружали 240 г твердосплавных сферических тел диаметром 8-10 мм (отношение массы твердосплавных сферических тел к массе порошковой смеси М₂ = 8:1). Механическую обработку (МО) порошковой смеси производили в течение (τ) 70 минут при скорости вращения платформы планетарной мельницы, с установленной на ней емкостью, равной 100 об/мин.

После МО порошковую смесь помещали в корундовый тигель и нагревали в вакууме (разрежение 10^-5мм.рт.ст.) до температуры (Т₁) 580 ⁰С с последующей изотермической выдержкой (τ₁), равной 15 минут.

Полученный СВС-продукт состоял из мелкодисперсных частиц наноразмерного диапазона (d₁ = 10^-2 – 10^-1 мкм), объединенных в агломераты размером 50-70 мкм. Согласно данным рентгенофазового анализа (РФА) он представлен следующими кристаллическими фазами (% об), основа: Al₃Ni (96), примесные фазы: Al (3), Al₄C₃ (1).

Для получения шихты к матричному порошку (ПАП-2) добавляли порошковый СВС – продукт в количестве (К) 30 % масс и проводили МО смеси (50 г) в планетарной мельнице в течение (τ₂) 40 минут (при соотношении массы твердосплавных сферических тел к массе порошковой смеси М₃ = 4:1).

Для получения порошковых заготовок проводили прессование шихты под давлением (Р₁) 500 МПа. Их термообработку осуществляли в вакууме (разрежение 10^-5мм.рт.ст.) при температуре (Т₂) 640 ⁰С в течение (τ₃) 40 минут.

После термообработки порошковые заготовки уплотняли, для этого их помещали в гнездо пресс-формы и прикладывали давление (Р₂) 750 МПа.

Спекание уплотненных порошковых заготовок проводили в вакууме (разрежение 10^-5мм.рт.ст.) при температуре (Т₃) 630 ⁰С в течение (τ₄) 30 минут.

Пример 2. Все технологические операции и их последовательность совпадают с описанными в примере 1.

Для синтеза алюминида никеля (Al₃Ni) методом СВС смешивали 18 г матричного порошка (ПАП-2) с 12 г порошка карбонильного никеля (ПНК – УТ1) узкой фракции 0,5 – 5 мкм (М₁ = 1,5:1), затем порошковую смесь подвергали МО в планетарной мельнице (τ=65 минут, М₂ = 9:1).

После МО порошковую смесь нагревали в вакууме (разрежение 10^-5мм.рт.ст.) до Т₁ = 590 ⁰С, τ₁=12,5 минут. Полученный СВС-продукт состоял из мелкодисперсных частиц наноразмерного диапазона (d₁ = 10^-2 – 10^-1 мкм), объединенных в агломераты размером 50-70 мкм. Согласно РФА он представлен следующими кристаллическими фазами (% об), основа: Al₃Ni (97), примесные фазы: Al (2), Al₄C₃ (1).

Для получения шихты к матричному порошку (ПАП-2) добавляли порошковый СВС – продукт, К = 35 % масс и проводили МО смеси (50 г) в планетарной мельнице τ₂ = 50 минут, М₂ = 5:1).

Порошковые заготовки прессовали из шихты под давлением Р₁ = 600 МПа, их термообработку осуществляли в вакууме (разрежение 10^-5мм.рт.ст.): Т₂ = 645 ⁰С, τ₃ = 50 минут.

После термообработки порошковые заготовки уплотняли - Р₂ = 825 МПа.

Спекание уплотненных порошковых заготовок проводили в вакууме (разрежение 10^-5мм.рт.ст.): Т₃ = 635 ⁰С, τ₄ = 45 минут.

Пример 3. Все технологические операции и их последовательность совпадают с описанными в примерах 1 и 2.

Для синтеза алюминида никеля (Al₃Ni) методом СВС смешивали 15 г матричного порошка (ПАП-2) с 15 г порошка карбонильного никеля (ПНК – УТ1) узкой фракции 0,5 – 5 мкм (М₁ = 1:1), затем порошковую смесь подвергали МО в планетарной мельнице (τ=60 минут, М₂ = 10:1).

После МО порошковую смесь нагревали в вакууме (разрежение 10^-5мм.рт.ст.) до Т₁ = 600 ⁰С, τ₁ =10 минут. Полученный СВС-продукт состоял из мелкодисперсных частиц наноразмерного диапазона (d₁ = 10^-2 – 10^-1 мкм), объединенных в агломераты размером 50-70 мкм. Согласно РФА он представлен следующими кристаллическими фазами (% об), основа: Al₃Ni (98), примесные фазы: Al (1), Al₄C₃ (1).

Для получения шихты к матричному порошку (ПАП-2) добавляли порошковый СВС – продукт, К = 40% масс и проводили МО смеси (50 г) в планетарной мельнице τ₂ = 60 минут, М₂ = 6:1).

Порошковые заготовки прессовали из шихты под давлением Р₁ = 700 МПа, их термообработку осуществляли в вакууме (разрежение 10^-5мм.рт.ст.): Т₂ = 650 ⁰С, τ₃ = 60 минут.

После термообработки порошковые заготовки уплотняли - Р₂ = 900 МПа.

Спекание уплотненных порошковых заготовок проводили в вакууме (разрежение 10^-5мм.рт.ст.): Т₃ = 640 ⁰С, τ₄ = 60 минут.

Свойства антифрикционного алюмоматричного композиционного материала, полученного по заявленному способу, в сравнении со свойствами материала, изготовленного по способу-прототипу, приведены в таблице.

Плотность материалов определяли по стандартной методике гидростатического взвешивания.

Предел прочности при изгибе определяли путем испытания призматических образцов (8х10х50, мм) по 3-х точечной схеме нагружения при скорости деформирования 1 мм/мин на установке TIRATEST – 2300 (Германия).

Коэффициент трения-скольжения и износ определяли на опытных образцах диаметром 24,5 мм и высотой 6,5 мм с использованием автоматизированной машины трения TRIBOMETER фирмы CSM Instruments (Швейцария) с вращательным движением по схеме “стержень-диск” (условия испытания: радиус дорожки - 8 мм, прикладываемая нагрузка - 1 Н, максимальная скорость - 10 см/с, контртело - шарик диаметром 3 мм из стали 100Cr6 - аналог ШХ15, пробег - 400 об/20 м, среда – воздух).

Как видно из результатов, приведенных в таблице, достигается значительное повышение антифрикционных свойств разработанного материала, полученного по заявленному способу, в сравнении с материалом, полученным по способу-прототипу: имеет место снижение коэффициента трения-скольжения, а также существенное снижение износа композитного образца и контртела (также фиксируется достаточно высокая прочность разработанного композитного материала).

Выполнение технической задачи изобретения обеспечивается оптимальным сочетанием упругопластических свойств разработанного композита вследствие гибридной системы дисперсного упрочнения слоистой алюминиевой матрицы. При этом слоистая матрица формируется благодаря жидкофазному сращиванию пластинчатых частиц ПАП-2 в результате появления эвтектического расплава Al/Al₄C₃, а дисперсионное упрочнение реализуется, как выделением алюмокарбидных частиц из эвтектического расплава (in-situ), так и за счет введения (ex-situ) в состав алюминиевой матрицы равномерно распределенных наноразмерных частиц алюминида никеля.

Свойства^**
Материал ρ,
г/см³ Ϭ_{изг, МПа} К_т И_1,
мм³_/н/м И_2,
мм³_/н/м По заявленному способу^* № d, мкм М₁ М₂ τ, мин Т₁,
⁰С τ_1, мин d₁, мкм К,% М₃ τ_2, мин Р₁, МПа Т₂, ⁰С τ_3, мин Р_2,
МПа Т₃, ⁰С τ₄, мин 1 0,5-5 2:1 8:1 70 580 15 10^-2-
-10^-1 30 4:1 40 500 640 40 750 630 30 2,95 420-480 0,13 <10^-7
отсутствие бороздок износа <10^-7
отсутствие налипания продуктов износа 2 0,5-5 1,5:1 9:1 65 590 12,5 10^-2-
-10^-1 35 5:1 50 600 645 50 825 635 45 2,98 400-460 0,12 <10^-7
отсутствие бороздок износа <10^-7
отсутствие налипания продуктов износа 3 0,5-5 1:1 10:1 60 600 10 10^-2-
-10^-1 40 6:1 60 700 650 60 900 640 60 3,06 350-410 0,11 <10^-7
отсутствие бороздок износа <10^-7
отсутствие налипания продуктов износа По способу – прототипу [1] 2,63-- 2,65 420-500 0,16 3,12·10^-3 ~10^-7
налипание продуктов износа *d- размеры частиц порошка никеля, М₁ – отношение массы матричного порошка (ПАП-2) к массе порошка никеля, М₂ – отношение массы твердосплавных сферических тел к массе порошковой смеси (ПАП-2+Ni) для проведения механической обработки (МО) в планетарной мельнице, τ – продолжительность МО порошковой смеси (ПАП-2+Ni) в планетарной мельнице, Т₁, τ₁ – температура нагрева смеси (ПАП-2+Ni) и продолжительность изотермической выдержки при Т₁ для синтеза СВС – продукта (Al₃Ni), d₁ – размеры частиц СВС – продукта, К – количество добавки СВС-продукта к матричному порошку (ПАП-2) в составе шихты, М₃ – отношение массы твердосплавных сферических тел к массе шихты (ПАП – 2 + СВС-продукт) для проведения МО в планетарной мельнице, τ₂ – продолжительность МО шихты (ПАП – 2 + СВС-продукт) в планетарной мельнице, Р – давление прессования шихты для изготовления порошковой заготовки (ПЗ), Т₂, τ₃ – температура и продолжительность изотермической выдержки при Т₂ для проведения термообработки ПЗ, Р₂ – давление, прикладываемое к ПЗ для ее уплотнения путем прессования, Т₃, τ₄ – температура и время изотермической выдержки при Т₃, используемые для спекания ПЗ.
** ρ – плотность, Ϭ_изг – предел прочности при изгибе, К_т – коэффициент трения-скольжения, И_1,- показатель износа образца,
И₂ – показатель износа контртела.

Источники информации:

1. Иванов Д.А. Физико-химические закономерности процессов получения композиционных материалов на основе высокодисперсного алюминиевого порошка ПАП – 2. – дис. д.т.н. – М., 2019. – 301 с (прототип).

2. Левашов Е.А., Рогачев А.С., Юхвид В.И., Боровинская И.П. Физико-химические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. – М.: Изд-во БИНОМ. – 1999. – 176 с.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению антифрикционных алюмоматричных дисперсно-упрочненных композиционных материалов, и может использоваться для получения элементов, работающих в различных трибосопряжениях в условиях сухого трения. Предварительно методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в вакууме синтезируют алюминид никеля (Al₃Ni) из смеси порошков ПАП-2 и карбонильного никеля путем нагрева до температуры 580-600°С. Затем СВС-продукт с размерами частиц 10^-2-10^-1 мкм смешивают с матричным алюминиевым порошком в количестве 30-40 мас.% и проводят механообработку в планетарной мельнице. Полученную шихту прессуют под давлением 500-700 МПа для изготовления порошковых заготовок и термообрабатывают в вакууме при 640-650°С, 40-60 мин. Затем полученную заготовку уплотняют путем прессования под давлением 750-900 МПа и спекают в вакууме при 630-640°С, 30-60 мин. Обеспечивается повышение износостойкости и снижение коэффициента трения-скольжения при сохранении высокой прочности. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.

1. Способ получения антифрикционного алюмоматричного композиционного материала, включающий приготовление шихты, содержащей матричный алюминиевый порошок, состоящий из частиц пластинчатой формы со стеариновым покрытием, прессование шихты, термообработку порошковых заготовок в вакууме, их последующее уплотнение путем прессования и спекание в вакууме, отличающийся тем, что в шихту вводят добавку мелкодисперсного порошка алюминида никеля в количестве 30-40 мас.% с размерами частиц 10^-2-10^-1 мкм, предварительно синтезированного путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в вакууме из смеси матричного алюминиевого порошка и порошка никеля с размерами частиц 0,5-5,0 мкм при их соотношении по массе от 2:1 до 1:1, затем проводят механическую обработку шихты в планетарной мельнице с добавкой алюминида никеля при соотношении массы твердосплавных сферических тел к массе шихты от 4:1 до 6:1 в течение 40-60 минут, прессование шихты проводят под давлением 500-700 МПа, термообработку порошковых заготовок в вакууме проводят при температуре 640-650°С в течение 40-60 минут, их последующее уплотнение проводят под давлением 750-900 МПа, а спекание в вакууме – при температуре 630-640°С в течение 30-60 минут.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза смесь матричного алюминиевого порошка с порошком никеля предварительно подвергают механической обработке в планетарной мельнице при соотношении массы твердосплавных сферических тел к массе порошковой смеси от 8:1 до 10:1 в течение 60-70 минут, затем полученную порошковую смесь нагревают в вакууме до температуры 580-600°С с изотермической выдержкой 10-15 минут.