Способ изготовления металлокерамических изделий и контейнер для их изготовления

 

Использование: получение металлокё- рамических изделий высокой твердости при низко и удельном весе, например, броневых плит для бронирования сейфов и транспортных средств специального назначения. Сущность изобретения: способ включает подготовку порошковой шихты, содержащей 50-60 мас.% алюминия, остальное - карбид бора. Шихтой заполняют контейнер, виброуплотняют, нагревают контейнер с шихтой, проводят горячую деформацию, удаляют контейнер и проводят термообработку . Контейнер для изготовления указанных изделий включает цилиндрическую оболочку, сферические днища и горловину, при этом поперечное сечение полости оболочки выполнено в виде овала Кассини с двумя симметричными относительно центра утолщениями. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 В 22 F 3/14, 3/24

СТВО СССР разр двига лей услов са от

Ц

we к изде

ГОСУД РСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

CP) (22) 11,11.91 (46) 2).08.93. Бюл. М 31

P6).Ë.,Коммель (56) К слый Il.C, Карбид бора. Киев; Наукова

Думк, 1988, с.189.

А торское свидетельство СССР

%11 1182, кл. В 22 F 3/02, 1985.

А торское свидетельство СССР

М 44 23, кл. F 17 С 1/02, 1974. (54) С ОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРА ИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ И КОНТЕЙНЕР ЛЯ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) пользование: получение металлокерами ских изделий высокой твердости при низко удельном весе, например, броневых

| . И обретение относится к порошковой мета ургии, в частности к способу получе-. ния делий горячим деформированием и мож быть использовано в машиностроении я изготовления металлокерамических изде и высокой твердости и низкой удельной ссы материала, например, для: личной ащиты человека (бронежилеты), бро рования сейфов, транспортных сред, в. входных дверей, защиты фюзеляжа и топ ивных баков самолета от осколков ающейся турбины газотурбинного еля, а также для изготовления детаашин и механизмов, работающих в ях повышенных напряжений и изноонтактного трения. лью изобретения является повышечества и эксплуатационных свойств ия путем повышения твердости и

„,5U, 1836190 А3

Сущность изобретения: способ включает подготовку порошковой шихты, содержащей 50-60 мас.% алюминия, остальное— карбид бора, Шихтой заполняют контейнер, виброуплотняют, нагревают контейнер с шихтой, проводят горячую деформацию, удаляют контейнер и проводят термообработку, Контейнер для изготовления указанных изделий включает цилиндрическую оболочку, сферические днища и горловину, при этом поперечное сечение полости оболочки выполнено в виде овала Кассини с двумя симметричными относительно центра утолщениями. 2 с. и 2 з.п; ф-лы, 3 ил. уменьшения удельной массы материала из- ф дел ия. (Поставленная. цель достигается тем, что в качестве шихты выбирают порошковую ееей смесь, содержащую компоненты в следую- Ю щем соотношении, мас.%: (л)

Алюминий 50-.60, 0

Карбид бора Остальное в

Шихту виброуплотняют в течение

1-.2 мин при горизонтальном положении контейнера при частоте вибрации, соответ-. ствующей частоте промышленного переменного электрического тока и с амплитудой вибрации, равной 0,5-1,5 мм, с ICJP последующим нагревом с шихтой под деформацию производят при температуре на

330-370 С выше температуры химической устойчивости карбида бора в течение 15-25 минут и деформацией контейнера с шихтой

1836190 в горизонтальном положении производят с удельным усилием деформирования 110 — 140

МПа. После деформации удаляют контейнер, производят сначала низкотемпературную обработку материала изделия при температуре на 250 — 300 С ниже температуры плавления алюминия в течение времени не менее 2 часов, осуществляя нагрев и охлаждение с печью. После механической обработки изделия до требуемых размеров производят его высокотемпературную обработку в защитной среде из циркониевого электрокорунда при температуре на 180220 С выше температуры химической устойчивости карбида бора в течение 3-5 часов с последующим охлаждением со средней скоростью 15 — 25 С/ч до температуры не выше

250 С, далее — охлаждение на воздухе. Зачистку изделий от следов циркониевого электрокорунда в результате термообработки производят в. пескоструйной камере.

Уменьшение содержания алюминия в составе менее 50 приводит к образованию краевых участков заготовки изделия повышенного окисления материала. Краевые участки заготовки имеют значительно меньшую твердость по сравнению с основной частью заготовки и после окончательной обработки изделия они бракуются. Это связано с тем, что при нагреве контейнера выше температуры плавления алюминия., но ниже температуры химической устойчивости карбида бора, расплавленный алюминий коагулируется в центральной зоне контейнера, а оставшийся без связующего карбид бора окисляется, При деформации из центральной зоны эти краевые участки заготовки могут быть заполнены химически несвязанным, избыточным алюминием, но окисный слой на поверхности зерен карбида бора препятствует образованию прочного химического соединения с алюминием.

Увеличение содержания алюминия в составе более чем на 60 приводит к образованию несплошностей в виде пузырьков в получаемом материале. Оптимальное содержание алюминия зависит от фракций используемого карбида бора и составляет

56 «-2ь. Большие значения содержания алюминия в составе относятся к карбиду бора более мелкой фракции, а меньшие — к карбиду борз фракций 260 мкм и выше, Это связано с изменением развитой контактной поверхности зерен карбида бора с алюминием при химической реакции. В зависимости от процентного содержания алюминия в составе материала изделия излом бь!вает: темно-серого цвета у окисленного материала при недостаточном (ниже 50 /) содержа/ нии алюминия, светло-серого цвета с дефектами в виде пустот при избыточном более

607, алюминия в составе и светло-серого цвета — характеризующего материал отлич5 ного качества, Значения амплитуды и продолжительности вибрирования определялись экспериментально и выбирались в заданных . пределах с учетом насыпной плотности ших"0 ты и объема полости контейнера, который меньше на 5-107; объема занимаемой шихтой полости до вибрации. flo этому вибрация в основном предназначалась для упорядочения частиц шихты и выравнива15 ния ее по длине контейнера, Во время вибрирования контейнер находился строго в горизонтальном .положении. Вибрация при амплитуде меньше 0,5 мм не приводит к заметным изменениям шихты, а при ампли20 туде больше чем 1,5 мм возможно нарушение однородности шихты по химическому составу. Продолжительность вибрирования меньше одной минуты не может обеспечить выравнивание шихты по длине контейнера, 25 а больше двух минут не имеет смысла, так как не приводит к улучшению упорядочения частиц шихты и выравнивания ее по длине контейнера.

При температуре нагрева контейнера ниже, чем на 300 С выше температуры химической устойчивости карбида бора не происходит полностью химическая реакция между компонентами шихты, а увеличение температуры нагрева выше, чем на 370 С

35 выше температуры химической устойчивости карбида бора не приводит к улучшению протекания химической реакции между компонентами шихты, приводит к уменьшению микротвердости зерен карбида бора вслед40 ствие начала процесса графитизации.

При продолжительности нагрева менее

15 минут не достигается нижний предел температуры нагрева шихты в контейнере и, следовательно, не может произойти полно45 стью химическая реакция. Увеличение продолжительности нагрева выше 25 минут приводит к более интенсивному окислению и графитизацию материала во всем объеме контейнера и, следовательно, в конечном

50 итоге к снижению качества.

При уменьшении удельного усилия деформирования контейнера ниже, чем

110 МПа не образуется материал требуемой плотности и качества. При увеличении

55 удельного усилия деформирования выше

140 МПа возможно образование расслоения материала изделия от перепрессовки.

Низкотемпературная термообработка после снятия оболочки служит для стабилизации входящего в состав материала непро1836190 реагировавший свободный алюминий. Указанный температурный интервал выбран экспериментально. При температуре нагрев выше температуры плавления алюминия и оисходит выделение непрореагировавш ro свободного алюминия в виде капель, о разующихся на поверхности материала и делия. Это приводит к изменению химич ского состава материала, к образованию м кроскопических пустот в нем и к его окисл нию при термообработке. В укаэанном и тервале нагрева происходит процесс стар ния свободного, химически несвязанного а юминия и улучшение механических с ойств материала.

Защитная среда, состоящая из циркон евого электрокорунда, была выбрана экси риментально. Во время термообработки в среде циркониевого электрокорунда не и оисходит окисления и поводки материала и делия. С целью получения оптимальных э сплуатационных характеристик изделия т мпературный интервал нагрева определял экспериментально следующим образом, ри температуре нагрева меньшей, чем 1 ООС выше температуры химической стаб льности карбида бора не было достигнуто т ебуемой твердости материала изделия. ри температуре нагрева большей, чем

2 0 C выше температуры химической стальности карбида бора, привело к увеличеию графитизации элементов состава, снижению показателей пластичности и рочности материала изделия, При оптимальной температуре и выдержке времени нагрева менее 3 ч и скорости аждения более 25 С/ч твердость матеиала изделия увеличился до НВА=7бед, по оквеллу, При оптимальной температуре и выдерке времени нагрева от 3 до 5 ч и скорости хлэждения от 15 до 25 С/ч твердость маериала изделия увеличилась в среднем до

HRA = 80 ч-5 ед. по Роквеллу. !

Увеличение времени выдержки более ем на 5 часов при оптимальной темперауре нагрева приводит к недопустимому величению хрупкости материала и обраэоанию трещин в материале изделия.

Температура конца охлаждения определена с учетом окончания химического роцесса при термообработке, исключения оводки и образования трещин в материале зделия при заданной температуре, а также точки зрения исключения получения ожоов работающим при извлечении материала изделия из защитной среды.

Процессы синтезирования — нагрева и ьефсриации шихты — производят в стапьйои контейнере (фиг.1 — ег, поперечное сече5

50 ние полости оболочки контейнепа выполнено в виде овала Кассини с двумя симметричными утолщениями, при этом в местах утолщений высота полости в 1,2 — 1,5 раза больше. чем в ее центральной части, а степень осадки шихты в контейнере соответственно составляет в центральной части от 2,2 до 2,5 и в местах утолщений от 3,0 до 3,2 ст требуемой толщины получаемого материала изделия.

Выбранная форма поперечного сечения полости контейнера в виде овала Кассини с заданными параметрами обеспечит получение заготовки изделия при минимальных затратах требуемого качества на серийном кузнечно-прессовом оборудовании. При деформации контейнера, в центральной части которого значение относительной толщины менее 2,2 и в местах утолщений более 3,2 от требуемой толщины получаемого изделия, возможно образование в центральной части изделия недопрессованного участка рыхлого материала со сниженными свойствами, а одновременно в местах утолщений значение относительной толщины менее 3,0 приводит к получению заготовки изделия меньшей, чем требуется, толщины. При деформации контейнера, в центральной части которого значение относительной толщины более 2,5 и в местах утолщений менее 3,0 возможно расслоение материала заготовки изделия по линиям наиболее интенсивного скольжения материала (см.фиг.3), т.е. по линиям максимальных касательных (г) напряжений при деформации, а одновременно в центральной части значение относительной толщины более 2,5 и в местах утолщений более 3,2 приводит к получению заготовки изделия большей, чем требуется, толщины.

Деформация контейнера, включающего цилиндрическую оболочку, сферические днища и горловину, приводит к получению заготовки изделия значительно большей, чем требуется, толщины и с дефектами расслоения материала заготовки изделия по линиям наиболее интенсивного скольжения материала (см,фиг.3), На фиг.1 изображено поперечное сечение контейнера, выполненное в виде овала

Кассини с двумя утолщениями, где Ho — толщина полости контейнера в центральнойчасти, H> — толщина полости в местах утолщения, 8 — ширина полости контейнера; нэ фиг.2 — поперечное сечение контей55 нера с получаемым изделием после деформации между плоскими плитами, где Hz — толщина полости контейнера; на фиг.3 — поперечное сечение контейнера с получаемым изделием с дефектами разрыва сплошности от касательных напряжений

1836190

20 длину 500 мм. Вводную трубку заделали си- 25 феритом и расплющили до толщины в 3 — 4

30 мышленного переменного электрического .35

50 на воздухе контейнер разрезали на станке вулканитовым инструментом на требуемые 55 т после деформации контейнера, полость которого до деформации имела круговое сечение; на фиг.4 — переходы изготовления контейнера: а) исходная трубчатая заготовка; б) после деформации с приданием поперечному сечению полости контейнера вида овала Кассини; в) готовый контейнер; на фиг.5 — график частотного распределения твердости иэделий в количестве 500 штук, эамеренных в HRA ед. по Роквеллу.

Пример. Производили смешение порошков алюминия марки АСД-4 (ТУ 48-5226-87) в количестве 56% по массе, что составилоо 3360 г и карбида бора (ГОСТ .

5744 — 85, зернистость 5П, фракция — 64 мкм} в количестве 44% по массе или 2640

r. Полученную! смесь раэвешали по 1200

r и через вводную," трубку размерами

Я 18 х 1 длиной 80 мм засыпали в .контейнер, который имел полость поперечного сечения в центральной части размером вьгсоты в пределах от 18 до 20 мм, а в местах утолщений высоту от 24 до 25 мм и плащадь контейнера в плане в ширину 117 мм и в

MM. С целью получения равнотолщинной по длине заготовки изделия проводили выравнивание плотности шихты в контейнере путем обстукивания его с периодическим наклоном в разные стороны. Шихту виброуплотняли в течение 1 мин при горизонтальном положении контейнера при частоте вибрации, соответствующей частоте протока и с амплитудой вибрации, равной 1 мм.

Нагрев контейнера с шихтой под деформацию производили в печи при температуре на 360 С выше температуры химической устойчивости карбида бора в течение 16 минут. С целью лучшего прогрева шихты в контейнере через 10 минут после закладки контейнера в печь производили его перемещение по поду печи. Деформацию нагретого контейнера производили непосредственно после нагрева на гидравлическом прессе номинальным усилием деформирования 9810 кН между плоскими плитами из жаропрочного материала. При давлении по манометру P=190 ат, усилие деформирования составило F=7750 кН, обеспечивающее напряжение деформирования порядка 0 = 132,5 МПа. Охлажденный размеры изделия с припуском 1 — 2 мм на сто ро ну.

Ниэкотемпературную обработку и роизводили в электрической печи при темпера.

15 туре на 300 С ниже температуры плавления алюминия, с выдержкой при заданной температуре в течение 2-х часов. Выход на режим и охлаждение печи проводили в загруженном с заготовками состоянии, После низкотемпературной обработки твердость материала изделия увеличилась и составила по Роквеллу шкалы HRA =50—

55 ед., также возросла ударная вязкость до

KCU - 0,1 — 0,12 МДж/м и уменьшилась интенсивность износа при бомбардировке ее твердыми частицами. Механическую обработку заготовок изделия до требуемых размеров проводили на фрезерном станке алмазной (ЭЛЬБОР-P) обработкой. Высокотемпературную обработку производили в электрической печи мощностью 80 КВА одновременно в двух контейнерах, сваренных из жаропрочного листового материала толщиной 2 мм размерами 150х600х600 мм в циркониевом электрокорунде (ТУ2-036237-84, марки 38А-3), Заготовки изделия, равноудаленные один от другого с зазором

10-15 мм между ними, в количестве по 250 шт укладывались в циркониевый электрокорунд, Контейнера загрузились в печь, нагретую до температуры на 200 С выше температуры химической устойчивости карбида бора. После выхода печи на установленный режим и выдержки на установленном режиме в течение 4 ч, печь была выключена и охлаждалась до 250 С со средней скоростью охлаждения 20 С/ч в течение 36 ч. После чего контейнера были выгружены из печи и была проведена зачистка заготовок изделия. На готовых изделиях в количестве 500 шт был проведен контрольный замер твердости на каждой заготовке в трех точках по Роквеллу, шкалы

HRA, ед. Полученные результаты замеров твердости показали (см.фиг.5), что твердость в партии изменяется от HRA = 50 ед до HRA = 88 ед (по одной заготовке), в то время, когда около 99,4% заготовок иэделия укладывались по твердости.в интервал установленный заказчиком, HRA = 60 ед и выше.

Следовательно, изделия твердостью ниже

HRA = 60 ед следует браковать, что составляет в данном конкретном примере около

0,6% от партии, Исследование структуры материала изделия с твердостью-менее HRA = 60 ед показало, что они содержат алюминия менее 50% от массы и поверхность зерен карбида бора окислена.

Производили также смешение мелкой стружки литейного алюминиевого сплава марки Ал-4 с карбидом бора в указанных количествах, а процесс проводили без каких-либо изменений технологических параметров. Исследование эксплуатационных

1836190 свойств изделия показало, что они также соответствуют к предъявленным заказчиков требованиям. Таким.образом, предложенный способ изготовления металлокерамических издели позволяет, по сравнению с базовым, по ысить качество изделия путем увеличени твердости матерйала до HRA - 60-88 ед, ум ньшить удельную массу материала. в

3,2 раза, а вес издели (за счет увеличения тв рдости и уменьшения удельной массы ма ериала без ухудшения эксплуатацион; ны свойств) уменьшить в 4,5 раза, получить из елия требуемых. геометрических размеро, увеличить выход годного до 997;, сократи ь время нагрева контейнера со смесью до деформации в 30-35 раэ; Выполнение по еречного сечения полости оболочки конте нера в виде овала Кассини приводит к ум ньшению затрат на механическую обрабо ку изделия.. Уменьшение времени нагрева до дефо мации с 36 часов до 15-20 минут достиг тся за счет изменения состава шихты с

Р6 5К5 на В4С и А1. Эксплуатационные испытания партии изделия — комплекта показа их соответствие к предъявленным закаэчиком требованиям, Формула изобретения

1. Способ изготовления металлокерамических изделий, включающий заполнение ко тейнера шихтой, ее виброуплотнение, на рев контейнера с шихтой, горячую деформацию, удаление контейнера, механическую и термическую обработки изделия, о f л и ч а ю шийся тем, что в качестве шйхты выбирают порошковую смесь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас. :

Алюминий 50-60

Карбид бора Остальное, при этом после удаления контейнера, производят сначала низкотемпературную обработку материала изделия при температуре на 250 — 300 С ниже температуры плав5 ления алюминия в течение не менее 2 ч, осуществляя нагрев и охлаждение с печью, а после механической обработки изделия до требуемых размеров производят его высокотемпературную обработку в защитной .10 среде из циркониевого электрокорунда при температуре на 180-220 С выше температуры химической устойчивости карбида бора в течение 3-5 ч с последующим охлаждением со средней скоростью 15-25 C/÷ до темпе15 ратуры не выше 250 С. далее — охлаждение на воздухе.

2. Способ по п,1, отличающийся тем, что шихту виброуплотняют а течение

1 — 2 мин при горизонтальном положении

20 контейнера при частоте вибрации, соответствующей частоте промышленного переменного электрического тока и с амплитудой вибрации, равной 0,5-1,5 мм.

3. Способ по и 1, о тл и ч а ю щи и с я

25 тем, что нагрев контейнера с шихтой под деформацию производят при температуре на 330-370 С выше температуры химической устойчивости карбида бора в течение

15-25 мин.

30 4.Способпоп.1,отличающийся .тем, что деформацию контейнера с шихтой производят с удельным усилием деформирования 110-140 МПа.

6. Контейнер для изготовления металло35 керамических изделий, включающий цилиндрическую оболочку, сферические днища и горловину, отличающийся тем, что поперечное сечение полости оболочки контейнера выполнено в виде овала Кассини с

40 двумя симметричными утолщениями, при этом в местах утолщения высота полости в

1,2 — 1,5 раза больше, чем в ее центральной части.

1836190

1836190

58» 2»:й» 6«8 ф8 2 Ж» 6 8. 8»а2 Ь4 а6 8 ЯЮ ° 2 84» 6 ° 8 5

49. 1. 3.,6. 7. 9.Ч. 3.%. 7,>9 9i.а3.Ë. -..а9.>1.>3.85 ° 7 ° 5 фа я,5

Составитель Л. Коммель

Техред М. Моргентал

Корректор А. Мотыль

Редактор E. Полионова

Пп ияводственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2996 Тира>к Подписное

BHNMflM Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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