Способ изготовления металлокерамических изделий и контейнер для их изготовления Советский патент 1993 года по МПК B22F3/14 B22F3/24 

w

Ё

Использование: получение металлокё- рамических изделий высокой твердости при низко и удельном весе, например, броневых плит для бронирования сейфов и транспортных средств специального назначения. Сущность изобретения: способ включает подготовку порошковой шихты, содержащей 50-60 мас.% алюминия, остальное - карбид бора. Шихтой заполняют контейнер, виброуплотняют, нагревают контейнер с шихтой, проводят горячую деформацию, удаляют контейнер и проводят термообработку. Контейнер для изготовления указанных изделий включает цилиндрическую оболочку, сферические днища и горловину, при этом поперечное сечение полости оболочки выполнено в виде овала Кассини с двумя симметричными относительно центра утолщениями. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к порошковой металлургии, властности к способу получения изделий горячим деформированием и може1 быть использовано в машиностроении ы я изготовления металлокерамических изделий высокой твердости и низкой удельной массы материала, например, для: личной защиты человека (бронежилеты), бронирования сейфов, транспортных средств, входных дверей, защиты фюзеляжа и топливных баков самолёта от осколков разрушающейся турбины газотурбинного двига -еля, а также для изготовления деталей и механизмов, работающих в условиях повышенных напряжений и износа от сонтактного трения.

Ц}лью изобретения является повышение качества и эксплуатационных свойств издегия путем повышения твердости и

уменьшения удельной массы материала изделия.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве шихты выбирают порошковую смесь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Алюминий50-60,

Карбид бораОстальное

Шихту виброуплотняют в течение 1-2 мин при горизонтальном положении контейнера при частоте вибрации, соответ-. ствующей частоте промышленного переменного электрического тока и с амплитудой вибрации, равной 0,5-1,5 мм, с последующим нагревом с шихтой под деформацию производят при температуре на 330-370°С выше температуры химической устойчивости карбида бора в течение 15-25 минут и деформацией контейнера с шихтой

И

00 tCJ

о

ю о

|Сл

в горизонтальном положении производят с удельным усилием деформирования 110-140 МПа. После деформации удаляют контейнер, производят сначала низкотемпературную обработку материала изделия при температуре на 250-300°С ниже температуры плавления алюминия в течение времени не менее 2 часов, осуществляя нагрев и охлаждение с печью. После механической обработки изделия до требуемых размеров производят его высокотемпературную обработку в защитной среде из циркониевого электрокорунда при температуре на 180- 220°С выше температуры химической устойчивости карбида бора в течение 3-5 часов с последующим охлаждением со средней скоростью 15-25°С/ч до температуры не выше 250°С, далее - охлаждение на воздухе. Зачистку изделий от следов циркониевого электрокорунда в результате термообработки производят а пескоструйной камере.

Уменьшение содержания алюминия в составе менее 50% приводит к образованию краевых участков заготовки изделия повышенного окисления материала. Краевые участки заготовки имеют значительно меньшую твердость по сравнению с основной частью заготовки и после окончательной обработки изделия они бракуются. Это связано с тем, что при нагреве контейнера выше температуры плавления алюминия, но ниже температуры химической устойчивости карбида бора, расплавленный алюминий коагулируется Ё центральной зоне контейнера, а оставшийся без связующего карбид бора окисляется. При деформации из центральной зоны эти краевые участки заготовки могут быть заполнены химически несвязанным, избыточным алюминием, но окисный слой на поверхности зерен карбида бора препятствует образованию прочного химического соединения с алюминием.

Увеличение содержания алюминия в составе более чем на 60% приводит к образованию несплошностей в виде пузырьков в получаемом материале. Оптимальное содержание алюминия зависит от фракций используемого карбида бора и составляет 56 ±2%. Большие значения содержания алюминия в составе относятся к карбиду бора более мелкой фракции, а меньшие - к карбиду бора фракций 260 мкм и выше, Это связано с изменением развитой контактной поверхности зерен карбида бора с алюминием при химической реакции. В зависимости от процентного содержания алюминия в составе материала изделия излом бывает: темно-серого цвета у окисленного материала при недостаточном (ниже 50%) содержании алюминия, светло-серого цвета с дефектами в виде пустот при избыточном более 60% алюминия в составе и светло-серого цвета - характеризующего материал отличного качества.

Значения амплитуды и продолжительности вибрирования определялись экспериментально и выбирались в заданных пределах с учетом насыпной плотности ших0 ты и объема полости контейнера, который меньше на 5-10% объема занимаемой шихтой полости до вибрации. По этому вибрация в основном предназначалась для упорядочения частиц шихты и выравнива5 ния ее по длине контейнера. Во время вибрирования контейнер находился строго в горизонтальном положении. Вибрация при амплитуде меньше 0,5 мм не приводит к заметным изменениям шихты, а при ампли0 туде больше чем 1,5 мм возможно нарушение однородности шихты по химическому составу. Продолжительность вибрирования меньше одной минуты не может обеспечить выравнивание шихты по длине контейнера,

5 а больше двух минут не имеет смысла, так

как не приводит к улучшению упорядочения

частиц шихты и выравнивания ее по длине

контейнера.

.При температуре нагрева контейнера

0 ниже, чем на 300°С выше температуры химической устойчивости карбида бора не происходит полностью химическая реакция между компонентами шихты, а увеличение температуры нагрева выше, чем на 370°С

5 выше температуры химической устойчивости карбида бора не приводит к улучшению протекания химической реакции между компонентами шихты, приводит к уменьшению микротвердости зерен карбида бора вслед0 ствие начала процесса графитизации.

При продолжительности нагрева менее 15 минут не достигается нижний предел температуры нагрева шихты в контейнере и, следовательно, не может произойти полно5 стыо химическая реакция. Увеличение продолжительности нагрева выше 25 минут приводит к более интенсивному окислению и графитизацию материала во всем объеме контейнера и, следовательно, в конечном

0 итоге к снижению качества.

При уменьшении удельного усилия деформирования контейнера ниже, чем 110 МПа не образуется материал требуемой плотности и качества. При увеличении

5 удельного усилия деформирования выше 140 МПа возможно образование расслоения материала издепия от перепрессовки.

Низкотемпературная термообработка после снятия оболочки служит для стабилизации входящего в состав материала непрореагировавший свободный алюминий. Указанный температурный интервал выбран спериментально. При температуре нагреэква

выше температуры плавления алюминия

происходит выделение непрореагировав- ш зго свободного алюминия в виде капель, of разующихся на поверхности материала изделия. Это приводит к изменению химического состава материала, к образованию микроскопических пустот в нем и к его окисла нию при термообработке. В указанном интервале нагрева происходит процесс старения свободного, химически несвязанного алюминия и улучшение механических сюйств материала.

Защитная среда, состоящая из циркониевого электрокорунда, была выбрана экспериментально. Во время термообработки в среде циркониевого электрокорунда не п юисходит окисления и поводки материала и щёлия. С целью получения оптимальных эксплуатационных характеристик изделия Ti :мпературный интервал нагрева определя- л t экспериментально следующим образом. При температуре нагрева меньшей, чем 1 Ю°С выше температуры химической ста- б мьности карбида бора не было достигнуто т ебуемой твердости материала изделия. Гри температуре нагрева большей, чем 0°С выше температуры химической ста- льности карбида бора, привело к увеличе ию графитизации элементов состава, с нижению показателей пластичности и прочности материала изделия.

I При оптимальной температуре и выдержке времени нагрева менее 3 ч и скорости охлаждения более 25°С/ч твердость материала изделия увеличился до . по Роквеллу.

При оптимальной температуре и выдер- ке времени нагрева от 3 до 5 ч и скорости

(хлаждения от 15 до 25 °С/ч твердость ма- риала изделия увеличилась в среднем до tjIRA 80 ± 5 ед. по Роквеллу.

i Увеличение времени выдержки более чем на 5 часов при оптимальной температуре нагрева приводит к недопустимому увеличению хрупкости материала и образованию трещин в материале изделия.

Температура конца охлаждения определена с учетом окончания химического процесса при термообработке, исключения доводки и образования трещин в материале изделия при заданной температуре, а также С точки зрения исключения получения ожогов работающим при извлечении материала ьцзделия из защитной среды.

Процессы синтезирования - нагрева и Реформации шихты - производят в стальном контейнере (фиг. 1-4), поперечное сечение полости оболочки контейнера выполнено в виде овала Кассини с двумя симметричными утолщениями, при этом в местах утолщений высота полости в 1,2-1,5 раза 5 больше, чем в ее центральной части, а степень осадки шихты в контейнере соответственно составляет в центральной части от 2,2 до 2,5 и в местах утолщений от 3,0 до 3,2 ст требуемой толщины получаемого материала

0 изделия.

Выбранная форма поперечного сечения полости контейнера в виде овала Кассини с заданными параметрами обеспечит получение заготовки изделия при минимальных за5 тратах требуемого качества на серийном кузнечно-прессовом оборудовании. При деформации контейнера, в центральной части которого значение относительной толщины менее 2,2 и в местах утолщений более 3,2 от

0 требуемой толщины получаемого изделия, возможно образование в центральной части изделия недопрессованного участка рыхлого материала со сниженными свойствами, а одновременно в местах утолщений значе5 ние относительной толщины менее 3,0 приводит к получению заготовки изделия меньшей, чем требуется, толщины. При деформации контейнера, в центральной части которого значение относительной толщины

0 более 2,5 и в местах утолщений менее 3,0 возможно расслоение материала заготовки изделия по линиям наиболее интенсивного скольжения материала (см.фиг.З), т.е. по линиям максимальных касательных (т) напря5 жений при деформации, а одновременно в центральной части значение относительной толщины более 2,5 и в местах утолщений более 3,2 приводит к получению заготовки изделия большей, чем требуется, толщины,

0 Деформация контейнера, включающего цилиндрическую оболочку, сферические днища и горловину, приводит к получению заготовки изделия значительно большей, чем требуется, толщины и с дефектами рас5 слоения материала заготовки изделия по линиям наиболее интенсивного скольжения материала (см.фиг.З).

На фиг.1 изображено поперечное сечение контейнера, выполненное в виде овала

0 Кассини с двумя утолщениями, где Но - толщина полости контейнера в центральной части. Hi - толщина полости в местах утолщения, В - ширина полости контейнера; на фиг.2 - поперечное сечение контей5 нера с получаемым изделием после деформации между плоскими плитами, где Н2 толщина полости контейнера; на фиг.З - поперечное сечение контейнера с получаемым изделием с дефектами разрыва сплошности от касательных напряжений

т после деформации контейнера, полость которого до деформации имела круговое сечение; на фиг.4 - переходы изготовления контейнера: а) исходная трубчатая заготовка; б) после деформации с приданием поперечному сечению полости контейнера вида овала Кассини; в) готовый контейнер; на фиг.5 - график частотного распределения твердости изделий в количестве 500 штук, замеренных в HRA ед. по Роквеллу.

Пример. Производили смешение порошков алюминия марки АСД-4 (ТУ 48-5- 226-87) в количестве 56% по массе, что составило 3360 г и карбида бора (ГОСТ Т 5744-85, зернисГость 5П, фракция - 64 мкм) в количестве 44% по массе или 2640 г. Полученную смесь развешали по 1200 г и через вводную , трубку размерами 018x1 длиной 80 мм засыпали в контейнер, который имел полость поперечного сечения в центральной части размером высоты в пределах от 18 до 20 мм, а в местах утолщений высоту от 24 до 25 мм и площадь контейнера в плане в ширину 117 мм и в длину 500 мм. Вводную трубку заделали си- феритом и расплющили до толщины в 3-4 мм. С целью получения равнотолщинной по длине заготовки изделия проводили выравнивание плотности шихты в контейнере путем обстукивания его с периодическим наклоном в разные стороны. Шихту вибро- уплотняли в течение 1 мин при горизонтальном положении контейнера при частоте вибрации, соответствующей частоте промышленного переменного электрического тока и с амплитудой вибрации, равной 1 мм. Нагрев контейнера с шихтой под деформацию производили в печи при температуре на 360°С выше температуры химической устойчивости карбида бора в течение 16 минут. С целью лучшего прогрева шихты в контейнере через 10 минут после закладки контейнера в печь производили его перемещение по поду печи. Деформацию нагретого контейнера производили непосредственно после нагрева на гидравлическом прессе номинальным усилием деформирования 9810 кН между плоскими плитами из жаропрочного материала. При давлении по манометру ат, усилие деформирования составило кН, обеспечивающее напряжение деформирования порядка о- 132,5 МПа. Охлажденный на воздухе контейнер разрезали на станке вулканитовым инструментом на требуемые размеры изделия с припуском 1-2 мм на сторону.

Низкотемпературную обработку производили в электрической печи при температуре на 300°С ниже температуры плавления алюминия, с выдержкой при заданной температуре в течение 2-х часов. Выход на режим и охлаждение печи проводили в загруженном с заготовками состоянии. После низкотемпературной обработки твердость материала изделия увеличилась и составила по Роквеллу шкалы HRA 50 - 55 ед., также возросла ударная вязкость до

0 KCU 0,1 - 0,12 МДж/м и уменьшилась интенсивность износа при бомбардировке ее твердыми частицами. Механическую обработку заготовок изделия до требуемых размеров проводили на фрезерном станке

5 алмазной (ЭЛЬБОР-Р) обработкой. Высокотемпературную обработку производили а электрической печи мощностью 80 КВА одновременно в двух контейнерах, сваренных из жаропрочного листового материала тол0 щиной 2 мм размерами 150x600x600 мм в циркониевом электрокорунде (ТУ2-036- 237-84, марки 38А-3), Заготовки изделия, равноудаленные один от другого с зазором 10-15 мм между ними, в количестве по 250

5 шт укладывались в циркониевый электрокорунд. Контейнера загрузились в печь, нагретую до температуры на 200°С выше температуры химической устойчивости карбида бора. После выхода печи на уста0 новленный режим и выдержки на установленном режиме в течение 4 ч, печь была выключена и охлаждалась до 250°С со средней скоростью охлаждения 20°С/ч в течение 36 ч. После чего контейнера были

5 выгружены из печи и была проведена зачистка заготовок изделия. На готовых изделиях в количестве 500 шт был проведен контрольный замер твердости на каждой заготовке в трех точках по Роквеллу, шкалы

0 HRA, ед. Полученные результаты замеров твердости показали (см.фиг.5), что твердость в партии изменяется от HRA 50 ед до HRA 88 ед (по одной заготовке), в то время, когда около 99,4% заготовок изделия

5 укладывались по твердости в интервал установленный заказчиком, НРА 60ед и выше. Следовательно, изделия твердостью ниже HRA 60 ед следует браковать, что составляет в данном конкретном примере около

0 0,6% от партии. Исследование структуры материала изделия с твердостью-менее HRA 60 ед показало, что они содержат алюминия менее 50% от массы и поверхность зерен карбида бора окислена.

5 Производили также смешение мелкой стружки литейного алюминиевого сплава марки Ал-4 с карбидом бора в указанных количествах, а процесс проводили без каких-либо изменений технологических параметров. Исследование эксплуатационных

свойств изделия соответствуют к

показало, что они также предъявленным заказчиком требованиям.

I Таким образом, предложенный способ изготовления металлокерамических изде- лив позволяет, по сравнению с базовым, повысить качество изделия путем увеличения твердости материала до HRA 60-88 ед, уменьшить удельную массу материала в 3,2 раза, а вес изделия (за счет увеличения твердости и уменьшения удельной массы материала без ухудшения эксплуатационных свойств)уменьшить в 4,5 раза, получить изделия требуемых.геометрических разме- pO|i, увеличить выход годного до 99%, сокра- тить время нагрева контейнера со смесью до деформации в 30-35 раз. Выполнение поперечного сечения полости оболочки кон- теС нера в виде овала Кассини приводит к уменьшению затрат на механическую обра- богку изделия.

Уменьшение времени нагрева до де- фо эмации с 36 часов до 15-20 минут достигается за счет изменения состава шихты с P6VI5K5 на В4С и А1. Эксплуатационные ис- пыгания партии изделия - комплекта показал их соответствие к предъявленным заказчиком требованиям.

i Формула изо б р ет е н и я

: Алюминий50-60

Карбид бораОстальное,

JPtirJ

при этом после удаления контейнера, производят сначала низкотемпературную обработку материала изделия при температуре на 250-300°С ниже температуры плавления алюминия в течение не менее 2 ч, осуществляя нагрев и охлаждение с печью, а после механической обработки изделия до требуемых размеров производят его высокотемпературную обработку в защитной среде из циркониевого злектрокорунда при температуре на 180-220°С выше температуры химической устойчивости карбида бора в течение 3-5 ч с последующим охлаждением со средней скоростью 15-25°С/ч до температуры не выше 250°С, далее - охлаждение на воздухе.

Суо

f

ioijHiL

,i4iii|1.i,iiifii n mpiipiijrn|iiijiii|iiifriipnTii4ni|iiipnpiijiii|in ii.finfii iiyiipii ifi|in|ni i;ipiif.njiiyn ipi

5S 40I 30

1

2Э

10

intlnltHbiilllJiliJi.thlllililiiiliiilt.iltiitiiiti nJiiiliiili.ililiJlilltiiliiitiiliiiJiTli.ifl.ilLliliiillriltrlilliiiiiliiLiJlilliilliliI

фае,5