Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения композиционного материала алюминий-сталь

Изобретение относится к технологии композиционных металлических материалов и может быть использовано для получения легких изделий, эксплуатируемых при статическом и динамическом нагружении, а также в условиях значительных вибраций.

К таким материалам предъявляется требование сочетания повышенной прочности, трещиностойкости и ударной вязкости в значительной степени определяющих рабочий ресурс изделий.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения композиционного материала алюминий - сталь [1] (принятый за прототип), включающий формирование многослойной заготовки путем чередования слоев из засыпки алюминиевого порошка с пластинчатой формой частиц и стальных сеток с размером ячеек 3 – 5 мм, сплетенных из троса диаметром 0,8 - 1,0 мм при соотношении толщины слоев алюминиевого порошка к толщине стальной сетки от 2 : 1 до 3 :1, уплотнение заготовки путем прессования под давлением 700 – 1000 МПа и ее термообработку на воздухе при температуре 550 – 600 °С в течение 15 – 30 минут.

Недостатком способа-прототипа является недостаточно высокие показатели прочности получаемого композиционного материала. Причиной этого является нарушение «чистого» оксидного типа связи в процессе термообработки в некоторых локальных областях по границе раздела алюминиевой матрицы с армирующими стальными волокнами в результате разрыва поверхностных оксидных пленок Al₂O₃ в матричном компоненте и NiAl₂O₄, NiCr₂O₄, Fe₂O₃·Cr₂O₃·Al₂O₃ (твердый раствор) в армирующем компоненте, вследствие воздействия термических напряжений [2]. Тогда через разрывы оксидных пленок инициируется химическое взаимодействие с образованием игольчатых кристаллов алюминида железа (Fe₂Al₅). Такие кристаллы являются концентраторами напряжений, снижающими прочность композита.

Технической задачей заявляемого изобретения является увеличение прочности композиционного материала алюминий-сталь.

Для выполнения поставленной задачи в способе получения композиционного материала алюминий - сталь, включающем формирование многослойной заготовки путем чередования слоев из засыпки алюминиевого порошка с пластинчатой формой частиц и слоев стальной сетки, сплетенной из троса, уплотнение многослойной заготовки прессованием и ее термообработку на воздухе, уплотнение многослойной заготовки проводят под давлением 150-200 МПа, термообработку на воздухе осуществляют при температуре 250 - 300 °С в течение 90 – 120 минут, затем многослойную заготовку помещают в пресс-форму и нагревают в вакууме до температуры 610-650 °С со скоростью 300 – 350 °С/час, после чего прикладывают давление 30 – 50 МПа с выдержкой 30-60 секунд и ведут охлаждение под приложенным давлением со скоростью 100 – 150 °С/час до температуры 80 – 100 °С при которой снимают давление, после чего изделие охлаждают в пресс-форме при комнатной температуре, затем извлекают его из пресс-формы.

Для получения материала по заявляемому способу в качестве исходного сырья 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 0,5 – 1,0 мкм). Частицы порошка, как продукта промышленной поставки, покрыты тонким слоем стеарина (3,0% масс), вводимым в качестве жировой добавки на этапе их измельчения в шаровой мельнице.

Для подготовки данного порошка, как и в способе-прототипе, проводили его термообработку на воздухе при температуре 350 °С с последующей изотермической выдержкой, необходимой для выжигания стеарина с поверхности пластинчатых частиц и его замены пассивирующими алюмооксидными пленками.

Также, как и в способе-прототипе, был использован стальной трос из аустенитной стали (08Х17Н13М2) торговой марки А4 следующего химического состава (% масс.): С (≤ 0,08), Cr (16 – 18), Fe (66,345 – 74), Mn (≤ 2), Ni (10 – 14), P (≤ 0,045), S (≤ 0,03), Cu (≤ 1), Mo (2 – 3). Тип скрутки троса – 1х19 (в одной скрутке использовано 19 проволок диаметром 0,16 – 0,20 мм, по диаметру троса укладывается 5 проволок, при этом его диаметр может составлять от 0,8 до 1,0 мм).

Уплотнение многослойной заготовки проводили прессованием под давлением (Р₁) 150 – 200 МПа. Снижение Р₁ менее 150 МПа невозможно, поскольку при этом не достигалась необходимая прочность сырой заготовки (наблюдалось выкрашивание кромок образцов). Увеличение Р₁ более 200 МПа не целесообразно, так как при данном давлении достигалась достаточная прочность сырца и обеспечивалось формирование необходимой прочности контактов между пластинчатыми частицами для проведения последующих технологических операций. Термообработку многослойной заготовки проводили при температуре (Т₁) 250 – 300 °С при продолжительности изотермической выдержки (τ₁) 90 – 120 минут. В данном температурном интервале и при заданной τ₁ обеспечивалась диффузия кислорода воздуха по каналам между пластинчатыми частицами, образующимися вследствие термического расширения заготовки, к границе раздела между алюминиевой матрицей и стальным армирующим компонентом, исключая зажигание заготовки в результате инициирования экзотермической реакции взаимодействия алюминия с кислородом воздуха.

При этом достигалось медленное оксидирование в режиме «тления» по всей протяженности границ раздела «матрица – армирующий компонент» с образованием плотных и сплошных пленок оксидных фаз (Al₂O₃ – по поверхности матричного компонента; NiAl₂O₄, NiCr₂O₄, Fe₂O₃·Cr₂O₃·Al₂O₃ (твердый раствор) – по поверхности армирующего компонента).

Снижение Т₁ и τ₁ менее 250 °С и 90 минут – соответственно, не целесообразно, так как не приводило к образованию плотных оксидных пленок по всей протяженности границ «матрица – арматура». Увеличение Т₁ и τ₁ более 300 °С и 120 минут – соответственно, не возможно, так как приводило к зажиганию заготовки вследствие инициирования экзотермической реакции горения матричного компонента.

Затем многослойную заготовку помещали в пресс-форму из силицированного графита и нагревали в вакууме до температуры (Т₂) 610-650 °С со скоростью (v₁) 300 – 350 °С/час, после чего прикладывали давление (Р₂) 30 – 50 МПа с выдержкой (τ₂) 30-60 секунд. Нагрев заготовки в вакууме обусловлен необходимостью исключения возможности ее зажигания с повышением температуры до значения Т₂.

Снижение Т₂, v₁, Р₂ и τ₂ менее 610 °С, 300 °С/час, 30 МПа и 30 секунд – соответственно, не целесообразно, так как не обеспечивало высоких показателей прочности получаемого композита вследствие недостаточной интенсивности и продолжительности диффузионных процессов в теле спекаемой под давлением заготовки.

Увеличение Т₂, v₁, Р₂ и τ₂ более 650 °С, 350 °С/час, 50 МПа и 60 секунд – соответственно, невозможно, так как приводило к снижению прочности композита из-за появления локальных областей разрыва оксидных пленок по границе раздела матричного и армирующего компонентов с последующим синтезом кристаллов Fe₂Al₅ – концентраторов напряжений в структуре материала.

Охлаждение заготовки проводили под приложенным давлением Р₂ со скоростью (v₂) 100 – 150 °С/час до температуры (Т₃) 80 – 100 °С при которой снимали давление, после чего изделие охлаждали в пресс-форме при комнатной температуре, затем извлекали его из пресс-формы.

Охлаждение заготовки под давлением позволяло сохранять целостность оксидных пленок по границе раздела матричного и армирующего компонентов, нарушение которых возможно из-за различия их температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) [ТКЛР алюминия и стали в температурном интервале 100 – 600 °С составляют (23,7 – 27,9)·10^-6 °С^-1 и (11,6 – 15,0)·10^-6 °С^-1 – соответственно], а также из-за различия ТКЛР оксидных фаз по границе раздела этих компонентов, особенно при максимальном значении Т₂. В этом случае приложенное давление Р₂ обеспечивало релаксацию возникающих термических напряжений за счет пластичности матрицы и сохранение целостности оксидных пленок. Тогда как охлаждение заготовки без приложения давления Р₂ приводило к нарушению «чистой» оксидной связи по границе раздела компонентов композита с понижением его прочности вследствие действующих термических напряжений.

Снижение скорости v₂ при охлаждении до температуры Т₃ менее 100 °С/час не целесообразно, так как при данном значении v₂ достигается релаксация напряжений по границе раздела матричного и армирующего компонентов. Увеличение скорости v₂ при охлаждении до температуры Т₃ более 150 °С/час) невозможно, поскольку в этом случае релаксация напряжений по границе раздела «матрица-арматура» полностью не реализовывалась, что приводило к нарушению «чистой» оксидной связи в получаемом композите.

Снижение Т₃ менее 80 °С не целесообразно, поскольку в этом случае различие ТКЛР матричного и армирующего компонентов, а также ТКЛР оксидных фаз, не приводило к нарушению целостности оксидных пленок. Увеличение Т₃ более 100 °С невозможно, так как при этом действующие термические напряжения приводили к нарушению целостности оксидных пленок в структуре композита.

При температуре Т₃ давление Р₂ снимали, разгружая пресс-форму, поскольку процесс релаксации напряжений в объеме композита полностью завершен.

Примеры реализации заявленного способа.

Пример 1. Для подготовки матричного компонента композиционного материала алюминиевый порошок промышленной марки ПАП-2 загружали в алюминиевую емкость с крышкой и нагревали на воздухе (со средней скоростью 50 °С/час) до температуры 350°С с последующей изотермической выдержкой, необходимой для выжигания стеарина с поверхности пластинчатых частиц и его замены пассивирующей алюмооксидной пленкой (500 грамм ПАП-2 выдерживали в течение 3 часов). Затем полученный порошок гранулировали путем его увлажнения (из расчета: добавка 10 см³ воды к 10 граммам порошка), последующей протирки через сито влажного порошка и его сушки до нулевой влажности.

Армирующий компонент композиционного материала получали плетением сетки с размером ячейки 3 мм из стального троса диаметром 0,8 мм (аустенитная сталь - 08Х17Н13М2, тип скрутки - 1х19, по диаметру троса укладывается 5 проволок диаметром 0,16 мм). Для плетения использовали специальное устройство.

Для формирования многослойной заготовки в гнездо стальной пресс-формы (60х80 мм) засыпали 12,3 грамма матричного алюминиевого порошка и разравнивали его в виде равномерного по толщине слоя. На поверхность этого слоя укладывали сетку, сплетенную из троса. Затем вновь производили засыпку матричного алюминиевого порошка указанной фиксированной навески, обеспечивающей соотношение толщины слоя порошка к толщине сетки как 2:1.

Таким образом, последовательно чередуя слои алюминиевого порошка и стальной тросовой сетки, получали многослойную заготовку (всего – 5 сеток и 6 слоев алюминиевого порошка, внешние слои выполнены из алюминиевого порошка).

Далее многослойную заготовку уплотняли прессованием, прикладывая давление (Р₁) – 150 МПа.

Термообработку многослойной заготовки проводили на воздухе по следующему режиму: нагрев до температуры (Т₁) – 250 °С с последующей изотермической выдержкой (τ₁), равной 90 минут.

После этого заготовку помещали в пресс-форму из силицированного графита, внутренняя поверхность которой покрыта тонким слоем порошка из нитрида бора, и нагревали в вакууме (разрежение 10^-2 мм рт.ст.) в установке горячего прессования (FR 210-30T-A-200-EVC) до температуры (Т₂) 610 °С со скоростью (v₁) 300 °С/час.

При достижении температуры Т₂ к заготовке прикладывали давление (Р₂) 30 МПа и выдерживали в течение времени (τ₂) – 30 секунд. Далее под приложенным давлением Р₂ проводили охлаждение со скоростью 100 °С/час до температуры (Т₃) 80 °С. Затем пресс-форму с полученным изделием вынимали из рабочего пространства установки горячего прессования и охлаждали при комнатной температуре с последующей выемкой изделия из пресс-формы.

Из полученного изделия в виде пластины (при объемной доле армирующего компонента 20 %) алмазным диском вырезали призматические образцы для механических испытаний.

Пример 2. Вид и последовательность технологических операций совпадают с приведенными в примере 1.

Многослойную заготовку уплотняли прессованием, прикладывая давление (Р₁) – 175 МПа.

Термообработку многослойной заготовки проводили на воздухе по следующему режиму: нагрев до температуры (Т₁) – 275 °С с последующей изотермической выдержкой (τ₁), равной 105 минут.

После этого заготовку помещали в пресс-форму из силицированного графита и нагревали в вакууме (разрежение 10^-2 мм рт.ст) до температуры (Т₂) 630 °С со скоростью (v₁) 325 °С/час. При достижении температуры Т₂ к заготовке прикладывали давление (Р₂) 40 МПа и выдерживали в течение времени (τ₂) – 45 секунд. Далее под приложенным давлением Р₂ проводили охлаждение со скоростью 125 °С/час до температуры (Т₃) 90 °С.

После охлаждения из полученного изделия в виде пластины (при объемной доле армирующего компонента 20 %) алмазным диском вырезали призматические образцы для механических испытаний.

Пример 3. Вид и последовательность технологических операций совпадают с приведенными в примерах 1 и 2.

Многослойную заготовку уплотняли прессованием, прикладывая давление (Р₁) – 200 МПа.

Термообработку многослойной заготовки проводили на воздухе по следующему режиму: нагрев до температуры (Т₁) – 300 °С с последующей изотермической выдержкой (τ₁), равной 120 минут.

После этого заготовку помещали в пресс-форму из силицированного графита и нагревали в вакууме (разрежение 10^-2 мм рт.ст) до температуры (Т₂) 650 °С со скоростью (v₁) 350 °С/час. При достижении температуры Т₂ к заготовке прикладывали давление (Р₂) 50 МПа и выдерживали в течение времени (τ₂) – 60 секунд. Далее под приложенным давлением Р₂ проводили охлаждение со скоростью 150 °С/час до температуры (Т₃) 100 °С.

После охлаждения из полученного изделия в виде пластины (при объемной доле армирующего компонента 20 %) алмазным диском вырезали призматические образцы для механических испытаний.

В таблице приведены сравнительные данные по свойствам материала, полученного по заявленному способу и по способу-прототипу. Для корректного сравнения эти данные получены при испытании материалов при одинаковом содержании армирующего компонента – 20 % об., как по прототипу, так и в заявленном способе.

*здесь: Р₁ – давление прессования заготовки, Т₁ – температура термообработки заготовки на воздухе, τ₁ – продолжительность изотермической выдержки заготовки на воздухе при Т₁, Т₂ – температура нагрева заготовки в пресс-форме в вакууме, V₁ – скорость нагрева заготовки в вакууме до Т₂, Р₂ – давление, приложенное к заготовке в вакууме при Т₂, τ₂ – продолжительность выдержки заготовки под давлением Р₂ при Т₂, V₂ – скорость охлаждения заготовки в вакууме под приложенным давлением Р₂ до температуры Т₃.

**здесь: ρ – плотность материала, Ϭ _изг – предел прочности при изгибе.

Плотность композита рассчитывали по формуле: ρ = m/V (где m и V – масса и объем образца соответственно).

Предел прочности при изгибе (Ϭ_изг) определяли на призматических образцах (8х8х50, мм) с использованием 3-х точечной схемы нагружения при скорости деформирования 1 мм/мин на испытательной машине TIRATEST – 2300 (Германия). Его рассчитывали по нагрузке, соответствующей первому скачку трещины в матрице, фиксируемому на диаграмме деформирования в координатах «нагрузка-прогиб» при нагружении.

Варьирование значений Ϭ_изг, указанных в таблице, приведено в пределах выборки из 10 образцов в результате их механических испытаний.

Как видно из полученных результатов достигается увеличение прочности композиционного материала по заявленному способу (в сравнении с прототипом) в 1,22 - 1,44 раза. Таким образом, техническая задача изобретения выполнена.

Положительный результат обеспечивается за счет возможности повышения плотности материала при сохранении совершенной структуры границы раздела «матрица-армирующий компонент» и формирования «чистого» оксидного типа связи во всем объеме композита.

Источники информации:

1. Патент РФ № 2649632 С2 «Способ получения композиционного материала алюминий - сталь», B22F 7/04, В22F 3/16, B32B 15/02, B32B 15/18 опубл. 04.04.2018 в БИ № 10.

2. Иванов Д.А., Ситников А.И. Композиционные материалы, М.: изд-во Юрайт, 2019, 253 с.