Способ получения композиционного дисперсно-упрочненного материала на основе алюминия Советский патент 1993 года по МПК B22F9/04 C22C1/05 

, Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к производству жаропрочных антифрикционных материалов

Целью изобретения является расшире- ние технологических возможностей процесса за счет получения антифрикционных сплавов на основе системы алюминий-свинец с высокими характеристиками твердости ;и прочности.

Цель достигается способом, включаю- щи|0| получение гранулированной композиции на основе алюминия механическим легированием с последующим изготовлением полуфабрикатов экструзией, в котором согласно изобретению гранулированную композицию получают последовательным механическим легированием алюминия ок- сидфми и свинцом в энергонапряженной

мельнице с нормальным уседанием размалывающих тел, равным 90-130 м/с , в две стадии. На первой стадии продолжительностью 1,0-1,5 ч осуществляется реакционное механическое легирование алюминия оксидами элементов с термодинамическим потенциалом образования большим, чем у оксида алюминия вводимого в количестве до 10% от общей массы смеси, а на второй стадии продолжительностью не менее 2 ч образовавшаяся после первой стадии порошковая композиция механически легируется свинцом.

Следующими отличительными признаками изобретения является то, что полученная после механического легирования гранулированная композиция подвергается термической обработке при 450-530°С в течение не менее часа, а изготовление пол00

о

CJ

ю

СЬ

00

уфабрикатов из брикетов осуществляется горячим прессованием при 370-430°С.

Примеры влияния заявляемых технологических факторов на твердость, прочность и пластичность антифрикционных материалов на основе системы алюминий-свинец приведены в табл.1.

В качестве легирующего компонента в этом случае использован оксид меди.

Реакционное механическое легирование алюминия оксидами элементов с термодинамическим потенциалом образования большим, чем у оксида алюминия (оксиды меди, кобальта, никеля, молибдена, марганца, железа, хрома, бора, титана) приводит к протеканию механохимических реакций между алюминием и легирующим оксидом с образованием оксида алюминия и восстановленного элемента, легирующего основу или образующего с алюминием алюми- нид. Фазы, образующиеся на стадии механического легирования, находятся в ультрадисперсном состоянии, равномерно распределены в основе и приводят к дисперсному упрочнению ее. При механическом легировании протекают одновременно два процесса - разрушение частиц исходного порошка и образование новых путем сварки осколков. На первом этапе механического легирования преобладает разрушение частиц vi имеет место измельчение смеси, на втором этапе преобладает сварка и проис-. ходит формирование и рост гранул, на третьем этапе устанавливается динамическое равновесие между разрушением и сваркой,при этом рост гранул прекращается.

При реакционном механическом легировании алюминия оксидами в течение 1,0- 1,5 ч реализуется только первый этап, на котором происходит измельчение порошков, сопровождающееся протеканием механохимических реакций, вызывающих образование ультрадисперсных частиц оксида алюминия, интерметаллидов и легирование основы. На этом этапе в тонкоизмельченную смесь до начала процесса грануляции вводится порошок свинца. Механическое легирование свинца дисперсными частицами оксида алюминия и интерметаллидов, образующихся на первой стадии обработки, приводит к его охрупчиванию, измельчению и равномерному распределению в гранулах композиции. Причем как гранулы в целом, так и составляющие их - алюминий и свинец являются дисперсноупрочненными ультрадисперсными частицами оксида алюминия и алюминидами. Минимальная продолжительность механического легирования для завершения процесса грануляции после

введения в смесь свинца составляет 2 ч. Это значение и является минимально необходимым для завершения механического легирования свинцом- нижняя граница. Верхнюю

границу продолжительности механического легирования свинцом устанавливать не целесообразно, так как увеличение размола свыше 2 ч отрицательного влияния на свойства не оказывает (см. опыты 21-25, табл.1).

0 Дисперсноупрочненные гранулированные композиции на основе системы алюминий-свинец непосредственно после механического легирования являются термодинамическими неравновесными систе5 мами, так как взаимодействие между алюминием и легирующим оксидом в процессе механического легирования до конца не протекает. С целью достижения более полного взаимодействия1 между алюминием

0 и легирующим оксидом гранулированная композиция или холоднопрессованные брикеты из нее подвергаются термической обработке. Нижний уровень температуры термической обработки 450°С, верхний - 530°С(см.опы5 ты 29-33, табл,1). Обработка при температурах ниже и выше указанного интервала не позволяет получить качественного материала. Полуфабрикаты, полученные экструзией, в этом случае имели дефекты в

0 виде трещин и надрывов, предотвратить которые оптимизацией режима экструзии не представляется возможным. Нижний уровень производительности термической обработки равен 0,5 ч, Ограничение верхне5 го уровня продолжительности термической обработки не является целесообразным, так как при продолжительности термической обработки более 0,5 ч полуфабрикаты во всех случаях имели хорошее качество и вы0 сокий уровень механических свойств (см. опыты 34-37, табл.1).

Нижний уровень температуры горячего прессования - экструзии полуфабрикатов 370°С, верхний - 430°С. Полуфабрикаты,

5 полученные выше и ниже указанного интервала, разрушались в процессе экструзии (см. опыты.38-42, табл,1).

Материалы, полученные по заявляемому способу, являются жаропрочными. Дли0 тельная выдержка при температурах до 500°С не оказывает существенного влияния на твердость, прочность и пластичность материалов.

Влияние температуры отжига на свойст5 ва материала, содержащего в исходной смеси 15% свинца и 5% оксида меди (CuU), приведено в табл. 2.

Механическое легирование осуществляли в вибромельнице с ускорением размалывающих шаров 110 м/с2. Продолжительность

первой стадии механического легирования составляла 1 ч, продолжительность второй стадии -- 3 ч. Термическую обработку гранулированной композиции проводили при 500°С в течение 1 ч. Полуфабрикаты получе- ны горячим прессованием при 400°С со степенью пластической деформации 80%.

В связи с тем, что материалы, получаемые по прототипу, не являются антифрикционными и по антифрикционным показателям на порядок уступают сплавам на основе системы алюминий-свинец, свойства материалов, изготовленных согласно данному изобретению, сопоставлены со свойствами лучших известных антифрикционных на основе алюминия.

Испытания материалов, полученных согласно изобретению, проводили при условиях, применяемых в аналогах. При увеличении предельной нагрузки с 2 до 20 МПа коэффициент трения линейно увеличивался с 0,003 до 0,02 и всегда оставался ниже, чем у аналогичных материалов. При удельной нагрузке 10 МПа и скорости скольжения 1.0 м/с износ материалов, получен- ных по разработанной технологии, не превышал 1 мкм/км. В аналогах этот показатель находится в пределах 1,5-5,0 мкм/км. Предельная рабочая температура тел трения, изготовленных из заявляемых материалов 340°С, в то время как в аналогах она не превышает 230°С.

Свойства материалов, получаемых согласно изобретению, мало зависят от природы легирующего оксида, и во всех случаях превосходят свойства известных материалов.

Влияние природы легирующего оксида на свойства материалов представлены в .табл.3.

Содержание легирующего оксида в исходной смеси составляло 5% по массе, содержание свинца 15%. Технологические условия получения материалов аналогичны ус ловиям получения материала, результаты испытания которого представлены в табл.2. Как следует из данных, приведенных в табл. 1-3, разработанный способ получения антифрикционных материалов на основе системы алюминий-свинец по сравнению с известными повышает твердость и прочность в 2 раза; стойкость против отжига и предварительную рабочую температуру в 1,5 раза и улучшает антифрикционные свойства материала.

Формула изобретения

Способ получения композиционного дисперсноупрочненного материала на основе алюминия, включающий совместный размол порошка алюминия с легирующими добавками оксидов в вибромельнице в присутствии размольных тел, термическую обработку гранулированной смеси и горячую экструзию, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей за счет формирования антифрикционных сплавов на основе системы алюминий-свинец с высокими характеристики твердости и прочности, в качестве оксидов используют оксидные соединения элементов с термодинамическим потенциалом их образования большим, чем у оксида алюминия, в количестве до 10 мас.% и в качестве дополнительной легирующей добавки берут свинец, размол проводят с ускорением размалывающих тел 90-130 м/с в две стадии: сначала размолу подвергают смесь порошка алюминия с оксидами в течение 1,0-1,5 ч и затем осуществляют размол полученной смеси с добавкой свинца в течение не менее 2 ч, а термическую обработку проводят при температуре 450-530°С.

Таблица 2

Сущность способа заключается в том, что:при получении композиционных материалов на основе алюминия проводят реакционное механическое легирование путем двухстадийного размола сначала смеси порошка алюминия с оксидными соединениями, имеющими термодинамический потенциал образования соединения больший, чем у оксида алюминия (оксиды меди, кобальта, никеля, молибдена, марганца, железа, хрома, бора, титана). Размол ведут в течение 1-1,5 ч. В полученную смесь вводят добавку свинца и проводят вторую стадию размола в течение не менее 2 ч. Полученную композицию гранулируют и термообрабаты- вают при 450-530 С, Затем материал подвергают горячей экструзии при 370-430°С Способ обеспечивает получение антифрикционных материалов системы алюминий- свинец с высокими характеристиками твердости и прочности. 3 табл. Ё

Влияние температуры отжига на свойства материала, содержащего

в исходной смеси 15% свинца и 5% оксида меди (СиО)

Продолжительность отжига 10 часов

Влияние природы легирующего оксида на свойства материалов на основе системы алюминий-свинец

Редактор

Техред М.Моргентал

Заказ 1025Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ .СССР 113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Т а бл и ц а 3

Корректор Л. Филь