способ получения композиционного материала al2o3-al

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:

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:

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 ( ₁) менее 2,5 часов невозможно, поскольку в этом случае не обеспечивается достаточный отвод газообразных продуктов реакции из заготовки. Увеличение T₁ и 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 ( ₂) менее 45 минут (при температуре T₂ ) не обеспечивало удовлетворительного уровня прочностных свойств спеченной заготовки, увеличение 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:

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 ( 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 ( 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%, -Al₂O₃ - 10%, -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 С_о 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, ₁=10 часов).

Инициирование процесса СВС производили при Т₂, равной 550°C, последующую выдержку спекаемой заготовки в печном пространстве осуществляли при ₂, равном 45 минут.

Согласно данным РФА основной фазовый состав спеченного материала был следующим (об.%): Al - 73%, -Al₂O₃ - 15%, -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, ₁=6,25 часа).

Инициирование процесса СВС производили при T₂, равной 575°C, последующую выдержку спекаемой заготовки в печном пространстве осуществляли при ₂, равном 53 минуты.

Согласно данным РФА основной фазовый состав спеченного материала был следующим (об.%): Al - 78%, -Al₂O₃ - 12%, -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 , г/см3	Прочность при ударном изгибе аН·103 , Дж/м2	Коэф. трения Кc
По заявленному способy*
№	С0 , мас.%	N, мм	Р, МПа	Т1, °С	1, час	Т2, °C	2, час
1	2,5	3,0	500	300	2,5	600	60	2,35	12,0	0,13
2	1,0	1,5	100	250	10	550	45	2,10	8,0	0,17
3	1,75	2,0	300	275	6,25	575	53	2,30	10,7	0,15
По способу-прототипу [2]	2,15-2,50	5,0-6,0	0,23-0,30
По способу-аналогу [1]	2,40-2,53	6,0-7,2	0,51-0,76
* здесь: С0 - сухой остаток жидкого стекла, N - размер ячеек сита, Р - давление прессования заготовки, T 1 и 1 - температура и время термообработки заготовки на воздухе, Т2 - температура воздушного теплоносителя для инициирования СВС, 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.