Способ получения композиционного дисперсно-упрочненного материала на основе алюминия

 

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 термообрабатывают при 450-530 С, Затем материал подвергают горячей экструзии при 370-430°С Способ обеспечивает получение антифрикционных материалов системы алюминийсвинец с высокими характеристиками твердости и прочности. 3 табл. Ё

СОВХОЗ СОВЕ Ti:.ÊÈÕ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ, РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

В1ДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) <."33/Цр

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4884283/02 (22) 20.11.90 (4 ) 13.03.93. Бюл. N 11 (71) Могилевский машиностроительный инстИтут (72) Ф,Г,Ловшенко, И.А.Лозиков и Г.Ф.Ловшенко (56 Буше Н.А, и др. Исследование свойств пр ссованных полос, полученных 4з гранул алЮминиевого сплава с 15% свинца, 3% ол ва и 1% меди, Труды ВНИИ желеэнодо- ро ного транспорта, 1972, вып. 473, с,46-54, (54 СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИО НОГО ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННОГО

МА ТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ (571 Сущность способа заключается в том, что при получении композиционнйх материапое на основе алюминия проводят реакциИзобретение относится к порошковой металлургии, в частности к производству жаропрочных антифрикционных материалов, Целью изобретения является расширение технологических возможностей процесса ва счет получения антифрикционных сплавов на основе системы алюминий-свинец с высокими характеристиками твердости,и прочности. Цель достигается способом, включающим получение гранулированной композиции на основе алюминия механическим легированием с последующим изготовлением йолуфабрикатов экструзией, в котором согласно изобретению гра нули рован ную композицию получают последовательным механическим легированием алюминия оксидами и свинцом в энергонапряженной

„„. Ы „„1803268 А1

rsvp)s В 22 Р 9/04. С 22 С 1/05 онное 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 термообрабатывают при 450-530 С, Затем материал подвергают горячей экструзии при 370-430 С

Способ обеспечивает получение антифрикционных материалов системы алюминийсвинец с высокими характеристиками твердости и прочности, 3 табл. мельнице с нормальным уседанием разма- а лывающих тел, равным 90-130 м/с, в две pg стадии. На первой стадии продолжительностью 1,0-1,5 ч осуществляется реакционное механическое легирование алюминия оксидами элементов с термодинамическим потенциалом образования большим, чем у О оксида алюминия вводимого в количестве СО 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 пол1803268

15

25

35

45

50 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 алюминид. 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 — разрушейие частиц исходного порошка и образование новых путем сварки осколков. На первом этапе механического легирования преобладает разрушение частиц и имеет место измельчение смеси, на втором этапе преобладает сварка и происходит 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 1,01,5 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 грэнуляции после введения в смесь свинца составляет 2 ч. Это

Ф значение и является минимально необходимым для завершения механического легировэния 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), Дисперсноупрочненные гранулированные композиции на основе системы алюми- . ний-свинец непосредственно после механического легирования являются термодинамическими неравновесными системами, так как взаимодействие между алюминием и легирующим оксидом в процессе механического легирования до конца не протекает. С целью достижения более полного взаимодействия между алюминием и легирующим оксидом гранулированная композиция или холоднопрессованные брикеты из нее подвергаются термической, обработке. Нижний уровень температуры термической обработки 450 С, верхний — 530 С (см.опыты 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 виде трещин и надрывов, предотвратить которые оптимизацией режима экструзии не представляется возможным. Нижний уровень производительности термической обработки равен 0,5 ч, Ограничение верхнего 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 высокий уровень механических свойств (см. опыты 34-37, табл.1).

Нижний уровень температуры горячего прессования — экструзии полуфабрикатов

370 С, верхний — 430 С. Полуфабрикаты, полученные выше и ниже указанного интервала, разрушались в процессе экструзии (см. опыты, 38-42, табл.1).

Материалы, полученные по заявляемому способу, являются жаропрочными. Длительная выдержка при температурах до

500 С не оказывает существенного влияния на твердость, прочность и пластичность материалов.

Влияние температуры отжига на свойства материала, содержащего в исходной смеси 15 /o свинца и 5% оксида меди ((;u0), приведено в табл. 2, Механическое легирование осуществляли в вибромельнице с ускорением размалывающих шаров 110 м/c . Продолжительность

1РОЗ?68 первой стадии механического легирования составляла 1 ч, продолжительность второй стадии — 3 <. Термическую обработку гранулированной композиции проводили при

500 С в течение 1 ч, Полуфабрикаты получе- 5 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 10 порядок уступают сплавам на основе системы алюминий-свинец, свойства материалов, из- готовленных согласно данному изобретению, сопоставлены со свойствами лучших известных антифрикционных на основе 15 алюминия.

Испытания материалов, полученных согласно изобретению, проводили при условиях, применяемых в аналогах, При увеличении предельной нагрузки с 2 до 20 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- 25 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 30 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 35 превосходят свойства известных материалов.

Влияние природы легирующего оксида на свойства материалов представлены в, табл.3. 40

Содержание легирующего оксида в исходной смеси составляло 5 по массе. содержание свинца 5;ь. Технологи . скис ус ловия получения материалов анапо и <нь ус ловиям получения материала, реэультл< ы 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 раэмольных 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, 1803268 а П п м ц а I

Олияним тг ° линос и» е «ot \я мl«oпппс «я с <т\вх и л«й с с в

Свойств т а r Ор «ци и ° ° . r n««t .я я ос тям с стсмм ап«мвтнмт-гв

Уст« вмn не«анм ескстго легиртвлння иа пер«ой стлйии

Уг гиен« тер ьччесн м обрафтт-

«и нОнпОэнции

Условия «еха í ег гп

iuoona «In на втори стаями

Ьтнмр они!а тет«иратула З«струзин, С

Не«в ичЕС Е се. i тет т у. фа!Орн«атпв сппгона и Е свинца, 2 гю массе трпппл" нмтельность иеус«oI«нне размаривающих теп, м/с т у корен е разналнеаюних тея, «

«в«алость нб, тет з пролоп. н ттельсюпер«*имc пе" гмрующего с «сила, тю нагcc

1т «т тго ь ° « гпг.

I яре лги тн пп« растя«е «ни, !

Е! а тенпература, (noon >n"

° ь тельн сть, нос ьw."

«аничеСханичес кого петироеания. ч кото пегирования, ч

110

400 .

800

500

130 IS

15 500

110

270

110

400

lOO0 360

1100 390

500

110 тО

400

110

150

k00

4а0

120. 11

120 15

l3O 18

360 10

380 12

1000 110

110

I10

110

11О

400

500

110

ll0

110

40а

1100

110

45О

1000

110

130

110

15

110

110

400

SAO

500

120

40О

k00

130

II0.

11О

10

110

IIO

IЭ

900

110

I10

110

110

400

15 500

500 130 17

110

k00

500

70

110

310 14

900

17

18

19

400 .

400.

400

500

110

k00

I1O

1000

14

110!

1100

500

130

Э90

390

110

150

11 0

11О

2г

110

I I O

110

110

23

24

26

27

110

110

110

1 1 0

3,0

3,0

3,0

3,0

1300 420 8

1100 410 10

400

1,0

1,0

1,0

1,0

ОО

400

110

1,0

1,0

110

110

11О

1ООО 360

1,0

1,0

110

Полуфабри«ат разруя|лсл пп

Экструзии

900 340 14

1000 360 I n

1100 380 12

1 1 0

110

1,0

1,0

1,0

1,0

550

400

3,а

3,0

3,0

3,0

110

5,0

5.0

5. О

5,0

1,0 !.О

1,0

1,0

31

32

11О

110

110

110

1!О

Полуфабрикат разрувился при экструзии

110

110

400

5,0

Полуфабрикат раэруннпся прн

1 экструзии

1000 350 11

0,25

500

15 I10

3,а

1,0

110

110

350

500

0,5

2,0

4,0

15 !

3,0

3,0

3,0

3,0

5,0

5,0

5,0

5,0

1.0

1,0

1,0

1,0

110

36

37

1150 380 12

4150 380 12

110

110

110

110

110

Полуфабрикат разру«« лся пои

Экструзии

1,0

500

110

1ООО 350 10

37О

k50

1,0

1,0

1,0

1,0

500

15 !

3,0

3,0

3.0

3.0

110

5,0

5,0

5,0

5.0

110

39

4а!

ООО 360

500

1,0

110

110

1ООО 350 13

110

1,0

110

Полуфабрикат разрув лся пр» экструзии

1.0

110

11a

1,0 .1, О

1,0

1,0

1,0

О

0,5

1,0

1,5

2,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

l,a

1,0

1.0

1,0

5,0

5.0

5,0

5,0

5.0

S,o

5,а

S,O

5.0

5,0

О

5

lO

12

5,0

5,0

5,0

5.0

5. О

5,0

5.0

5,0

S,0

5,0

S,0

5,0

5,0

5,0

3,0

З,o

3,0

3,0

3,0

3,0

3,0

3,0

3,0

3,"

3,0

3,8

3,0

3.0

3,0

3.о

3,0 з,о

З,о

3,0

1,0

2,0 з,о

5,0

10,0

1,0

1,0

l,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

l,O

1,0

1,О

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

i,0

1,0

I,О

1,0

1,0

1803268

Таблица 2

Влияние температуры отжига на свойства материала. содержащего в исходной смеси 15 (, свинца и 5ф, оксида меди (CuO) Продолжительность отжига 10 часов

Таблица 3

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

Физико-механические свойства мате иалов

Легирующий оксид

Относительное удлинение, ф, Твердость, МПа

Предел прочности при растяжении,МПа

Предель- . ная температура

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор Л,Филь

Редактор

Заказ 1025 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ. СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10>

СиО

СозО4 й!гОз

МоОз

МпОг

ЕегОз

СггОз

ВгОз

Т! Ог

1050

360 .370

370

11

13 .9

11 . 11

Коэффициентт трения в интервале удельных нагрузок 2 — 20

МПа .

0,003-0,02

0,003-0,015

0,003-0,02

0,003-0,02

0,003-0,05

0,003-0,02

0,003-0,02

0,003-0,02

0,003-0,015

Износ мкм/км, при

Р=10МПа=

=1 м/с

1,0

1,1 .0,9

1,0

0,9

t,2

1,2

0,9

0,8

350