способ получения крупногабаритного полуфабриката из порошковых и дисперсно-упрочненных композиционных материалов

Формула изобретения

1. Способ получения крупногабаритного полуфабриката из порошковых и дисперсно-упрочненных композиционных материалов, включающий приготовление порошковой смеси с добавлением твердой смазки и геттера, холодное компактирование, термическую обработку и горячую деформацию путем экструзии, отличающийся тем, что холодное компактирование и горячую деформацию проводят на горизонтальном гидравлическом прессе, порошковую смесь засыпают в рабочую втулку контейнера пресса с углом откоса засыпки, близким к 80 град, холодное копактирование ведут с образованием тонкой пленки из фольги на боковой поверхности брикетов при извлечении их из контейнера.

2. Способ по п.1. отличающийся тем, что внутреннюю поверхность рабочей втулки контейнера предварительно обрабатывают до шероховатости Ra < 1,25 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическую обработку скомпактированного в брикет порошка осуществляют в индукционной печи при температуре твердофазного или жидкофазного спекания с оплавлением границ частиц порошка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способу получения крупногабаритных полуфабрикатов в виде прутка, шестигранника, квадрата, прямоугольной шины, трубы и других профилей из порошковых и дисперсно-упрочненных композиционных материалов (ДУКМ) на основе меди, или никеля, или алюминия, или других цветных металлов, или их сочетаний, предназначенных для изготовления деталей электротехнического назначения в машиностроении.

Известен "Способ получения дисперсно-упрочненного композиционного сплава на основе меди" (заявка Японии N 62192544 от 24.08.77 г., МКИ⁴ C 22 C 1/05; B 22 F 1/00), включающий приготовление исходной смеси, термическую обработку, холодное и горячее компактирование. Приготовление смеси заключается в механическом легировании порошка меди с алюминием для селективного окисления компонентов, термическую обработку проводят в восстановительной атмосфере для восстановления образовавшегося избыточного оксида меди. Композитный гранулят подвергают холодному и горячему компактированию, при этом происходит измельчение легирующих элементов в медной матрице. Холодное и горячее компактирование производят на специальных вертикальных прессах.

Недостаток данного способа заключается в сложности технического процесса, т. к. требуются специальные нагревательные электропечи с восстановительной атмосферой.

Использование специальных вертикальных прессов не дает возможности получать полуфабрикат больших размеров.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является "Способ получения дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе меди" (патент РФ N 97100988 от 22.01.97 г., МКИ⁴ C 22 C 1/04), включающий приготовление исходной смеси с добавлением твердой смазки и геттера, холодное компактирование, термическую обработку и горячую деформацию.

В описываемом способе холоднокомпактированные брикеты при нагреве накрывают контейнером в виде стакана с зазором на величину объемного расширения материала, что повышает эффективность использования геттера, восстанавливающего оксиды. Холодное компактирование гранулята и горячую экструзию брикетов проводят на специализированных вертикальных прессах.

Недостаток описанного способа состоит в сложности технологического процесса, а также в невозможности получения полуфабрикатов больших размеров по сечению и длине.

В основу изобретения поставлена задача разработки способа получения крупногабаритного полуфабриката из порошковых и дисперсно-упрочненных композиционных материалов с высокими физико-механическими свойствами, получаемыми за счет образования равномерной структуры порошковых материалов и более равномерного распределения в матрице ультрадисперсных (0,02 - 0,03 мкм) частиц легирующих элементов. Решение этой задачи позволит получить крупногабаритные полуфабрикаты с высокими эксплуатационными характеристиками.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения крупногабаритного полуфабриката из порошковых и дисперсно-упрочненных композиционных материалов, включающем приготовление исходной смеси с добавлением твердой смазки и геттера, холодное компактирование, термическую обработку и горячую деформацию:

холодное компактирование и горячую деформацию (экструзию) проводят на технологической оснастке неспециализированного горизонтального гидравлического пресса;

рабочая втулка контейнера пресса заполняется порошковой смесью, при помощи специального загружателя, с углом откоса засыпки, близким к 80 град.;

рабочая втулка контейнера пресса при холодном компактировании предварительно обрабатывается до шероховатости Ra < 1,25 мкм и при извлечении из контейнера скомпактированного брикета, за счет развитой сдвиговой деформации, на его боковой поверхности образуется тонкая пленка из фольги;

термическая обработка скомпактированного в брикет порошка осуществляется в индукционной печи, где происходит твердофазное или жидкофазное спекание с оплавлением границ частиц порошка.

Сопоставительный анализ заявляемого способа получения крупногабаритного полуфабриката из порошковых и дисперсно-упрочненных композиционных материалов с прототипом (патент РФ N 97100988) позволяет сделать вывод, что заявляемый способ отличается от известного:

проведением холодного компактирования и горячей деформации (экструзии) на технологической оснастке неспециализированного горизонтального гидравлического пресса;

заполнением порошковой смесью рабочей втулки контейнера пресса, при холодном компактировании, с углом откоса засыпки, близким к 80 град.;

образованием тонкой пленки из фольги на боковой поверхности брикетов при извлечении их из контейнера пресса при холодном компактировании;

проведением термической обработки брикетов в индукционной печи, где происходит твердофазное или жидкофазное спекание с оплавлением границ частиц порошка.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ получения крупногабаритного полуфабриката из порошковых и дисперсно-упрочненных композиционных материалов не известен из уровня техники, что свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Использование для холодного компактирования и горячей деформации (экструзии) технологической оснастки неспециализированного горизонтального гидравлического пресса позволяет получать длинномерный полуфабрикат круглого сечения - прутки и трубы диаметром от 10 до 100 мм с толщиной стенки от 10 до 45 мм, квадратного или прямоугольного сечения с соотношением ширины к высоте от 1 до 10 (максимальная ширина 200 мм).

Предварительная обработка внутренней поверхности рабочей втулки контейнера пресса до шероховатости Ra < 1,25 мкм позволяет проводить компактирование с образованием тонкой пленки из фольги на боковой поверхности брикета при его извлечении из контейнера (за счет сил трения и развитой сдвиговой деформации), что снижает окисление основы материала при последующем нагреве брикетов, улучшая тем самым физико-механические свойства полуфабрикатов.

Проведение термической обработки брикетов в индукционной печи при температуре 700 - 1050^oC, где происходит твердофазное или жидкофазное спекание с оплавлением границ частиц порошка, позволит использовать порошковые материалы, получаемые электролитическим способом, или распылением расплава в воду, или механическим легированием в аттриторах, или измельченную стружку с размером частиц не более 1,5 мм. В зависимости от обрабатываемого материала и требуемых физико-механических характеристик готового полуфабриката, нагрев происходит на воздухе в течение 5 - 20 минут, после чего брикет имеет одинаковую по объему температуру. За счет значительного уменьшения времени нагрева брикетов, тонкой пленки фольги на боковой поверхности брикетов и наличия в составе материала геттера - поглотителя влаги и газов, окисление материала в печи минимизируется, что весьма положительно сказывается на физико- механических свойствах полуфабриката, увеличивая его твердость и прочность.

Таким образом, заполнение рабочей втулки контейнера пресса порошковой смесью с углом откоса засыпки близким к 80 град., образование тонкой пленки фольги на боковой поверхности брикета при компактировании, термическая обработка брикетов в индукционной печи и проведение холодного компактирования и горячей деформации (экструзии) на технологической оснастке неспециализированного горизонтального гидравлического пресса

позволяет получить крупногабаритный полуфабрикат из порошковых и дисперсно-упрочненных композиционных материалов с высокими физико-механическими характеристиками.

Сущность заявляемого решения для специалиста не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Возможность использования способа получения крупногабаритного полуфабриката из порошковых и дисперсно-упрочненных композиционных материалов в отечественной промышленности позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "промышленная применяемость".

Способ получения крупногабаритного полуфабриката из порошковых и дисперсно-упрочненных композиционных материалов осуществляется следующим образом.

Порошковая смесь системы Cu-Ti-TiH₂ - C на основе меди подвергается механическому легированию в аттриторе емкостью 45000 см³. В порошковую смесь вводят твердую смазку в виде графита для уменьшения температуры нагрева аттритора, а также для образования карбидов и восстановления оксида меди в последующем процессе нагрева брикетов. Для поглощения избыточной влаги и газов в порошковую смесь вводят геттер - гидрид титана (TiH₂).

Холодное компактирование гранулята в брикеты осуществляют в контейнере горизонтального гидравлического пресса усилием 31,5 МН. Заполнение рабочей втулки контейнера пресса порошковым гранулятом производят с помощью центробежного лопастного загружателя, причем угол откоса засыпки материала гораздо больше угла его естественного откоса и примерно равен 70 - 80 град.

В контейнере горизонтального гидравлического пресса материал компактируется в брикеты в холодном состоянии при давлении не менее 700 МПа. Размеры получаемых брикетов: диаметр 200 мм, длина 250 мм. За счет равномерной укладки исходного сыпучего материала в контейнер пресса, а также довольно высокой текучести материала в начале процесса компактирования, готовые брикеты обладают высокими механическими свойствами и равномерной по сечению плотностью, равной 85-95 % от теоретической.

Для снижения окисления основы материала при последующем нагреве брикетов компактирование ведется с образованием тонкой пленки фольги на боковой поверхности брикета. Для получения такой пленки внутреннюю поверхность рабочей втулки контейнера пресса предварительно обрабатывают до шероховатости поверхности Ra < 1,25 мкм. Образование рубашки на боковой поверхности брикета происходит при его извлечении из контейнера за счет сил трения и развитой сдвиговой деформации.

Затем производят нагрев брикетов в индукционной печи до температуры 820 - 850^oC в течение 10 - 15 минут, после чего брикеты имеют одинаковую температуру по всему объему. Нагретые в индукционной печи брикеты подвергают горячей деформации (экструзии) на горизонтальном гидравлическом прессе при давлении 800 МПа. При экструзии происходит измельчение и диспергирование в медной матрице легирующих добавок в виде окислов и карбида титана до размера частиц 0,02 - 0,03 мкм.

Для экспериментальной проверки заявляемого способа были проведены четыре эксперимента:

из двух композиций по предлагаемому способу и

двух композиций по способу прототипа.

По предлагаемому способу механическое легирование гранулята проводили в аттриторе емкостью 45000 см³, холодное компактирование гранулята в брикеты размером диаметром 200 х 200 мм на горизонтальном гидравлическом прессе усилием 31,5 МН, нагрев в индукционной печи и горячая экструзия брикетов в круг диаметром 80 мм на горизонтальном гидравлическом прессе усилием 31,5 МН.

Механическое легирование по прототипу проводили в аттриторе емкостью 45000 см³, холодное компактирование гранулята в брикеты размером диаметром 60 х 200 мм на вертикальном гидравлическом прессе усилием 4 МН, нагрев в электрической печи сопротивления в течение 1 часа и горячая экструзия брикетов в круг диаметром 13 мм на вертикальном гидравлическом прессе усилием 4 МН.

Химический состав исследуемых материалов приведен в табл.1.

Результаты эксперимента приведены в табл. 2.

Результаты экспериментов показали, что по предлагаемому способу возможно получение крупногабаритных полуфабрикатов из дисперсно-упрочненных композиционных материалов диаметром более 80 мм с повышенными (на 10-12%) механическими характеристиками, по сравнению со свойствами полуфабрикатов, получаемых по способу прототипа. Использование заявляемого способа получения крупногабаритного полуфабриката из порошковых и дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе меди позволит получить длинномерный полуфабрикат с высокими физико-механическими характеристиками, а конечный продукт - с высокими эксплуатационными свойствами.