способ получения композиционного материала al2o3-al

Классы МПК:C04B35/65 реакция спекания составов, содержащих свободный металл или свободный кремний
C04B35/117 композиты
B22F3/23 самораспространяющимся высокотемпературным синтезом или реакционным спеканием
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "МАТИ"- Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2011-04-28
публикация патента:

Изобретение относится к технологии композиционных материалов - керметов и может быть использовано для получения износостойких изделий, применяемых в трибосопряжениях. Для изготовления кермета Al2O3 - Al алюминиевый порошок со стеариновым покрытием на пластинчатых частицах смешивали с водным раствором жидкого стекла при его содержании в смеси в количестве 1,0-2,5 мас.% в пересчете на сухой остаток вещества. Смесь выдерживали при комнатной температуре до завершения процесса образования стеарата натрия и глицерина, затем ее гранулировали путем продавливания через сито с размером ячеек 1,5-3,0 мм и высушивали. Из смеси прессовали заготовку под давлением 100-500 МПа и термообрабатывали ее на воздухе при температуре 250-300°C в течение 2,5-10 часов. Затем заготовку нагревали воздушным теплоносителем до температуры 550-600°C для инициирования процесса СВС и выдерживали при этой температуре 45-60 минут. По окончании изотермической выдержки изделие охлаждали на воздухе при комнатной температуре. Композиционный материал обладает плотностью 2,1-2,35 г/см3, прочностью при ударном изгибе 10,7·10 3-12,0·103 Дж/м2, коэффициентом трения скольжения (контртело - сталь ШХ-15, нормальная нагрузка - 1Ш) по схеме «стержень-диск» 0,13-0,17. Технический результат данного изобретения заключается в повышении устойчивости материала к разрушению при воздействии ударной нагрузки и снижении коэффициента трения скольжения. 2 з.п. ф-лы, 3 пр., 1 табл.

Формула изобретения

1. Способ получения композиционного материала Al2 O3-Al, включающий приготовление шихты смешиванием алюминиевого порошка, состоящего из частиц пластинчатой формы, с водным раствором жидкого стекла, сушку шихты, прессование заготовки, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем и охлаждение за счет выдержки нагретого изделия на воздухе при комнатной температуре, отличающийся тем, что для смешивания используют алюминиевый порошок, пластинчатые частицы которого содержат стеариновое покрытие, а водный раствор жидкого стекла добавляют в количестве 1,0-2,5 мас.% в пересчете на сухой остаток вещества, перед сушкой смесь выдерживают при комнатной температуре до завершения процесса образования стеарата натрия и глицерина, затем ее гранулируют путем продавливания через сито с размером ячеек 1,5-3,0 мм, перед инициированием процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза отпрессованную заготовку термообрабатывают на воздухе при температуре 250-300°C в течение 2,5-10 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прессование заготовки проводят под давлением 100-500 МПа.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев заготовки воздушным теплоносителем, для инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, проводят до температуры 550-600°C при времени изотермической выдержки 45-60 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии композиционных материалов-керметов и может быть использовано для получения прочных, износостойких изделий, работающих в трибосопряжениях в условиях воздействия статических и динамических нагрузок.

Известен способ получения композиционного материала Al2 O3 - Al [1], включающий приготовление шихты путем смешивания алюминиевого порошка ПАП-2, состоящего из частиц пластинчатой формы со стеариновым покрытием, с водным раствором поливинилового спирта, ее сушку до заданной остаточной влажности (3-10%), прессование заготовки под давлением 1,25·10-2-2,5·10 -2 МПа, выжиг из нее на воздухе органической связки, дополнительное прессование заготовки под давлением 520-600 МПа и инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем до температуры 550-600°C с последующим ее охлаждением за счет выдержки на воздухе при комнатной температуре.

Недостатком этого способа является его высокая трудоемкость, связанная с необходимостью реализации достаточно большого количества технологических операций. Кроме того, материал, полученный по данному способу, демонстрирует относительно высокий коэффициент трения в трибосопряжениях со стальным контртелом, а также недостаточно высокое сопротивление разрушению при воздействии удара.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения композиционного материала Al2 O3 - Al [2], (принятый за прототип), включающий термообработку на воздухе (220-250°C) алюминиевого порошка ПАП-2, состоящего из частиц пластинчатой формы со стеариновым покрытием, приготовление шихты путем его смешивания с водным раствором жидкого стекла в количестве 3-15% масс в пересчете на сухой остаток вещества, сушку шихты на воздухе при температуре 20-60°C до полного удаления влаги, прессование из нее заготовки под давлением 620-700 МПа, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем до температуры 610-650°C с последующей изотермической выдержкой в течение 1-5 часов и охлаждением за счет выдержки нагретого изделия на воздухе при комнатной температуре. В данном случае термообработку на воздухе порошка ПАП-2 проводят с целью удаления стеарина с поверхности его частиц.

Недостатком способа-прототипа является относительно высокий коэффициент трения, присущий получаемому материалу в паре трения со стальным контртелом, а также недостаточная прочность при ударном воздействии нагрузки.

Технической задачей данного изобретения является снижение коэффициента трения при трибосопряжении материала со стальным контртелом, а также увеличение его прочности при ударе.

Для выполнения поставленной задачи в способе получения композиционного материала Al2O3 - Al, включающем приготовление шихты смешиванием алюминиевого порошка, состоящего из частиц пластинчатой формы, с водным раствором жидкого стекла, сушку шихты, прессование заготовки, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем и охлаждение за счет выдержки нагретого изделия на воздухе при комнатной температуре, для смешивания используют алюминиевый порошок, пластинчатые частицы которого содержат стеариновое покрытие, а водный раствор жидкого стекла добавляют в количестве 1,0-2,5 мас.% в пересчете на сухой остаток вещества, перед сушкой смесь выдерживают при комнатной температуре до завершения процесса образования стеарата натрия и глицерина, затем ее гранулируют путем продавливания через сито с размером ячеек 1,5-3,0 мм, перед инициированием процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза отпрессованную заготовку термообрабатывают на воздухе при температуре 250-300°C в течение 2,5-10 часов.

Кроме того, в предложенном способе прессование заготовки проводят под давлением 100-500 МПа, а ее нагрев воздушным теплоносителем, для инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, проводят до температуры 550-600°C при времени изотермической выдержки 45-60 минут.

Для получения материала по заявленному 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 мас.%), вводимым в качестве жировой добавки на этапе их измельчения в шаровой мельнице.

Для приготовления шихты в заданную навеску исходного порошка ПАП-2 вводили расчетный объем водного раствора жидкого стекла - гидросиликата натрия (nNa2O3·mSiO2·SiO 2·xH2O, где m/n - модуль жидкого стекла, варьируемый от 1 до 4, величина x изменяется в пределах от 1 до 14).

Перемешивание компонентов шихты производили непрерывно при помощи пропеллерной мешалки. Смесь выдерживали при комнатной температуре в течение времени, необходимого для завершения химической реакции образования стеарата натрия и глицерина на поверхности частиц порошка ПАП-2. Эта реакция:

способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530

характеризуется определенной изотермической кинетикой и при комнатной температуре (18-25°C), в соответствии с экспериментальными данными, требуется от 0,5 до 1,0 часа для ее завершения. После окончания реакции (1), протекающей в тонком слое на поверхности пластинчатых алюминиевых частиц, образуется пластичная масса, напоминающая влажную глину (глиноподобная масса). В данной реакции щелочь (NaOH) является продуктом гидролиза силиката натрия.

При содержании жидкого стекла в смеси (С) менее 1,0 мас.% (в пересчете на сухой остаток вещества) пластичность получаемой массы недостаточна для проведения операции ее гранулирования путем продавливания через сито. Увеличение С более 2,5 мас.% не целесообразно, так как снижаются триботехнические свойства спеченного материала (резко повышается коэффициент трения в паре со стальным контртелом из-за повышенного содержания в материале силикатов натрия).

Гранулирование массы достаточно производительно обеспечивается ее продавливанием через ячейки сита. Использование сита с размером ячеек (N) менее 1,5 мм не дает возможности провести операцию гранулирования вследствие чрезмерно высокого сопротивления продавливанию массы. Применение сита с величиной N более 3,0 мм не целесообразно вследствие разрушения гранул.

Влажную шихту (совокупность гранул, полученных продавливанием через сито) высушивали до полного удаления влаги и прессовали с целью изготовления заготовок. Давление прессования (Р) менее 100 МПа приводило к снижению прочности при ударе, увеличение Р более 500 МПа давало эффект образования «перепрессовочных трещин».

Перед инициированием процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) отпрессованную заготовку термообрабатывали на воздухе для частичного разложения смеси стеарата натрия с глицерином и удаления газообразных продуктов разложения в соответствии с химическими реакциями:

способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530

способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530

Окончательное разложение смеси стеарата натрия с глицерином завершается при протекании СВС-процесса, а ее предварительное, частичное разложение, согласно реакциям 2 и 3, преследует цель медленного отвода большей доли газообразных продуктов из заготовки. Если указанную термообработку предварительно не проводить, то при инициировании СВС газообразные продукты создают повышенное давление внутри спекаемой заготовки» что приводит к ее разрушению.

Снижение температуры термообработки (T1) менее 250°C и времени изотермической выдержки (способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 1) менее 2,5 часов невозможно, поскольку в этом случае не обеспечивается достаточный отвод газообразных продуктов реакции из заготовки. Увеличение T1 и способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 1 более 300°C и 10 часов (соответственно) не целесообразно, поскольку при этих температурно-временных параметрах достигается медленный отвод основной доли газообразных продуктов реакции (1) и при последующем инициировании СВС разрушения спекаемой заготовки не наблюдалось.

Инициирование процесса СВС достигалось за счет нагрева заготовки воздушным теплоносителем до заданной температуры (T2). Снижение Т2 менее 550°C не приводило к инициированию СВС, а превышение Т2 более 600°C невозможно, так как наблюдался выброс алюминиевого расплава из заготовки. Время изотермической выдержки (способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 2) менее 45 минут (при температуре T2 ) не обеспечивало удовлетворительного уровня прочностных свойств спеченной заготовки, увеличение способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 2 более 60 минут не оправдано, так как улучшения механических и трибологических свойств спеченного материала не наблюдалось.

После инициирования процесса СВС наблюдается фильтрациониое горение заготовки, механизм которого совпадает с механизмом, реализуемым в способе-прототипе {2]. После завершения фильтрационного горения достигается спекание материала и формирование его конечного фазового состава. Методом рентгенофазового анализа установлено, что в объеме спеченного материала синтезированы следующие кристаллические фазы - Si, Al2O3, Na2Si2O 5, С, распределенные в алюминиевой матрице. Образование указанных кристаллических фаз связано с протеканием следующих химических реакций:

способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530

способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530

способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530

способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530

способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530

способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530

способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530

способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530

способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530

Химические реакции (4)-(10) обеспечивают образование твердых кристаллических кремниевых, алюмоокеидных и натрий-силикатных включений в пластичной алюминиевой матрице. Эти включения повышают твердость и износостойкость материала. Указанные реакции реализуются также и в способе-прототипе [2]. В заявленном способе, по сравнению с прототипом, дополнительно имеют место реакции термического разложения стеарата натрия (2) и глицерина (3) с образованием углеродного остатка в виде тонких молекулярных слоев по поверхности пластинчатых алюминиевых частиц, слагающих структуру спеченного изделия.

Полученный углеродный остаток выполняет функцию твердой смазки, способной значительно снижать коэффициент трения в трибосопряжениях. Кроме того, при воздействии удара» благодаря оптимальному локальному ослаблению границ раздела между пластинчатыми частицами, зафиксирован весьма энергоемкий механизм разрушения. Он связан с вовлечением в разрушение значительного объема материала, сопровождающегося сдвигом слоев относительно друг друга и их вырывом. При этом высокая работа разрушения обеспечивается преодолением сил трения между пластинчатыми частицами в протяженной зоне разрушения.

Благодаря указанным эффектам достигается решение поставленной технической задачи изобретения.

Примеры реализации заявленного способа

Пример 1. С целью приготовления шихты смешивали 100 грамм алюминиевого порошка (марки ПАП-2) с раствором жидкого стекла (ГОСТ 13078-81). Для обеспечения содержания в шихте жидкого стекла в количестве (C o) 2,5% (в пересчете на сухой остаток вещества) исходный жидкий продукт разбавляли дистиллированной водой (к 4,69 см 3 жидкого стекла добавляли 95,31 см3 воды), величина разбавления составляла ~1:20 (1 часть жидкого стекла к 20 частям воды). Смешивание компонентов в течение 30 минут производили в фарфоровой емкости при помощи пропеллерной мешалки. После распределения разбавленного водного раствора жидкого стекла в объеме порошка перемешивание прекращали. Смесь выдерживали до завершения процесса образования стеарата натрия и глицерина (30 минут). Признаком окончания синтеза стеарата натрия и глицерина на поверхности пластинчатых алюминиевых частиц является превращение начальной порошковой смеси в глиноподобную вязкую массу.

Ее гранулировали путем продавливания через сито с размером ячеек (N) 3,0 мм. После высушивания на воздухе полученных гранул (до нулевой влажности при температуре 60°C) была получена гранулированная шихта. Заготовку прессовали, прикладывая давление (Р) 500 МПа к засыпке гранул в стальной пресс-форме на гидравлическом прессе П-50.

Отпрессованную заготовку термообрабатывали в сушильном шкафу на воздухе при температуре (T1) 300°C в течение времени (способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 1), равного 2,5 часа.

После этого заготовку помещали в муфельную печь и нагревали на воздухе до температуры (T2) 600°C. В результате происходило инициирование процесса СВС. Его начало визуально фиксировалось по свечению заготовки, которую выдерживали в печном пространстве при Т2 в течение времени (способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 2) - 60 минут. По завершении выдержки спеченное изделие извлекали из печи и охлаждали при комнатной температуре.

Согласно данным РФА основной фазовый состав спеченного материала был следующим (об.%): Al - 80%, способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 -Al2O3 - 10%, способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 -Na2Si2O5 - 6%, Si - 2%, С - 2%.

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

100 грамм алюминиевого порошка ПАП-2 смешивали с водным раствором жидкого стекла (1,87 см жидкого стекла + 98,13 см3 воды), величина разбавления составляла ~1:52 (1 часть жидкого стекла к 52 частям воды). Величина Со составляла 1,0%.

Гранулирование полученной смеси производили путем ее продавливания через сито с размером ячеек (N) 1,5 мм. Заготовку прессовали при Р, равном 100 МПа. Отпрессованную заготовку термообрабатывали в сушильном шкафу на воздухе (T 1=250°C, способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 1=10 часов).

Инициирование процесса СВС производили при Т2, равной 550°C, последующую выдержку спекаемой заготовки в печном пространстве осуществляли при способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 2, равном 45 минут.

Согласно данным РФА основной фазовый состав спеченного материала был следующим (об.%): Al - 73%, способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 -Al2O3 - 15%, способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 -Na2Si2O5 - 7%, Si - 4%, C - 1%.

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

100 грамм алюминиевого порошка ПАП-2 смешивали с водным раствором жидкого стекла (3,28 см3 жидкого стекла + 96,72 см3 воды), величина разбавления составляла ~1:29 (1 часть жидкого стекла к 29 частям воды). Величина С o составляла 1,75%.

Гранулирование полученной смеси производили путем ее продавливания через сито с размером ячеек (N) 2,0 мм. Заготовку прессовали при Р, равном 300 МПа. Отпрессованную заготовку термообрабатывали в сушильном шкафу на воздухе (T1=275°C, способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 1=6,25 часа).

Инициирование процесса СВС производили при T2, равной 575°C, последующую выдержку спекаемой заготовки в печном пространстве осуществляли при способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 2, равном 53 минуты.

Согласно данным РФА основной фазовый состав спеченного материала был следующим (об.%): Al - 78%, способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 -Al2O3 - 12%, способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 -Na2Si2O5 - 6,5%, Si - 2%, С - 1,5%.

В таблице представлены результаты испытаний материала, полученного по заявленному способу, в сравнении с материалами, изготовленными по способу-аналогу и способу-прототипу.

Коэффициент трения скольжения определяли по схеме «стержень-диск» на приборе Tribometer, CSM Instr. В качестве контртела использовали шарик диаметром 3 мм из стали ШХ-15. Нормальная нагрузка составляла 1 Н, а линейная скорость перемещения контртела относительно диска (диаметр - 20 мм, высота - 8 мм) - 10 см/сек.

Прочность при ударном изгибе [3] определяли с использованием маятникового копра на призматических образцах с размерами 7×7×50 мм, расстояние между опорами - 32 мм. Скорость движения ударного диска - 5 м/с.

Как видно из приведенных в таблице данных, достигается улучшение механических характеристик материала, полученного по предложенному способу, в сравнении с материалом, изготовленным по способу-прототипу (прочность при ударном изгибе возрастает в 1,6-2,0 раза, а среднее значение коэффициента трения скольжения снижается в 1,73 раза).

Таким образом, техническая задача данного изобретения выполнена - достигнуто увеличение прочности при ударном изгибе и снижение коэффициента трения скольжения композиционного материала Al2O3 - Al.

Таблица
Свойства композиционного материала Al2O3 - Al
Материал

Свойства
Плотность способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 , г/см3 Прочность при ударном изгибе аН·103 , Дж/м2 Коэф. трения Кc
По заявленному способy* способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530
С0 , мас.%N, мм Р, МПа Т1, °С способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 1, час Т2, °C способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 2, час способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530
12,5 3,0500 3002,5 60060 2,3512,0 0,13
2 1,0 1,5100 25010 55045 2,108,0 0,17
3 1,75 2,0300 2756,25 57553 2,3010,7 0,15
По способу-прототипу [2] 2,15-2,505,0-6,0 0,23-0,30
По способу-аналогу [1] 2,40-2,536,0-7,2 0,51-0,76
* здесь: С0 - сухой остаток жидкого стекла, N - размер ячеек сита, Р - давление прессования заготовки, T 1 и способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 1 - температура и время термообработки заготовки на воздухе, Т2 - температура воздушного теплоносителя для инициирования СВС, способ получения композиционного материала al2o3-al, патент № 2461530 2 - время изотермической выдержки при температуре Т2.

Источники информации

1. Патент РФ № 2266270 «Способ получения композиционного материала Al2O3 - Al», C04B 35/65, B22F 3/23, опубл. 20.12.05, бюл № 35.

2. Патент РФ 2319678 «Способ получения композиционного материала Al2O3 - Al», C04B 35/65, C04B 35/00, B22F 3/23, опубл. 20.03.08, бюл. № 8 (прототип).

3. Практикум по технологии керамики и огнеупоров / под ред. Д.Н.Полубояринова и Р.Я.Попильского. М.: изд-во литературы по строительству, 1972, 351 с.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2461530

patent-2461530.pdf

Класс C04B35/65 реакция спекания составов, содержащих свободный металл или свободный кремний

способ получения композиционного материала al-al2o3 -  патент 2521009 (27.06.2014)
способ получения композиционного материала на основе силицида ниобия nb5si3 (варианты) -  патент 2511206 (10.04.2014)
способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала -  патент 2487850 (20.07.2013)
способ получения керамики и композиционных материалов на основе ti3sic2 -  патент 2486164 (27.06.2013)
способ создания конструкционного керамического материала -  патент 2450998 (20.05.2012)
композиционный материал на основе субоксида бора -  патент 2424212 (20.07.2011)
способ получения жаростойкого цирконсодержащего материала -  патент 2400451 (27.09.2010)
способ получения безусадочного конструкционного керамического изделия -  патент 2399601 (20.09.2010)
способ получения композиционного материала al2o3-al -  патент 2398037 (27.08.2010)
способ получения бета-сиалона -  патент 2384546 (20.03.2010)

Класс C04B35/117 композиты

Класс B22F3/23 самораспространяющимся высокотемпературным синтезом или реакционным спеканием

Наверх