Способ получения дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов

 

Сущность способа заключается в том, что порошки алюминия магния, взятого в количестве 4,5% по массе и одного из веществ, применяемых в качестве легирующей добавки - нитрата, нитрита или карбамида с добавкой в смесь 1 % поверхностноактивного вещества, подвергали обработке в течение в ч в помольной1 камере вибромельницы при амплитуде колебаний помольной камеры 5 мм, частоте колебаний 25 , степени заполнения помольной камеры шарами 80%, отношении объема шаров к объему смеси, равном 6. Содержание легирующей добавки во всех композициях обеспечивает образование 10 мас.% упрочняющей фазы Полученную гранулированную композицию подвергают термической обработке при 550° С в течение 1 ч Экструзией гранулированной .композиции при 450° С и степени обжатия 90% получают полуфабрикаты в виде прутков диаметром 12 мм. Способ обеспечивает повышение предела прочности при растяжении дисперсно-упрочненного материала 4 табл.

(19) Щ (И) (5T) ХХ Р1 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ комитет Российской Федерации пф патентам и товарным знакам (21) 4898963/02. (22) 03.0191 (46) 30.1093 Бюл Na 39-40 (71) Могилевский машиностроительный институт (72) Ловшенко Ф.Г„Ловшенко ГФ, (73) Могилевский машиностроительный институт (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕНН61Х АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ (57) Сущность способа заключается в том, что порошки алюминия, магния, взятого в количестве 4,596 по массе и одного из веществ, применяемых в качестве легирующей добавки - нитрата, нитрита или карбамида с добавкой в смесь 196 поверхностноактивного вещества, подвергали обработке в течение 6 ч в помольной"камере вибромельницы при

В 11 амплитуде колебаний помольной камеры 5 мм, частоте колебаний 25 с, степени заполнения помольной камеры шарами 80%, отношении объема шаров

K объему смеси, равном 6. Содержание пегирующей добавки во всех композициях обеспечивает образование 10 мас% упрочняющей фазы Попученную гранулированную композицию подвергают термической обработке при 550 С в течение 1 ч

Экструзией гранулированной,композиции при

450 С и степени обжатия 90% получают полуфабрикаты в виде прутков диаметром 12 мм. Способ обеспечивает повышение предела прочности при растяжении дисперсно-упрочненного материала 4 табл.

2001715

25

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к производству дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов.

Известен способ получения дисперсноупрочненного алюминия, получившего название САП. Технологический процесс изготовления материалов САП состоит из следующих стадий: длительный размол порошка алюмИния с добавкой стеариновой кислоты в шаровой мельнице в специальной атмосфере и получение пудры АПС, брикетирование пудры АПС, дегазация брикетов, изготовление полуфабрикатов горячей экструзией брикетов. Основными недостатками способа являются низкие значения механических свойств при высоком содержании упрочняющей фазы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов, включающий размол в течение 2-4 ч порошков алюминия. оксидов элементов и магния, взятого в количестре, не более чем на 1 превышающего значение, необходимое для восстановления взятого оксида, и стеариновой кислоты в количестве до 1 от массы обрабатываемой смеси в вибромельнице при амплитуде колебаний 5-6 мм, частоте колебаний

20-30 с, степени заполнения помольной камеры 60 — 70, отношении объема шаров к объему смеси 4 — 6 или аттриторе при частоте вращения вала с импеллерами 15 — 20 с, степени заполнения помольной камеры шарами 55 — 65%, отношении объема шаров к объему смеси 7 — 12, и получение полуфабрикатов горячей экструзией гранулированной дисперсно-упрочненной композиции, предварительно подвергнутой термической обработке при 500-550 С в течение 1,0-1,5 ч.

Основным недостатком способа является сравнительно низкая прочность, обусловленная большим содержанием алюминидов, образующихся в результате взаимодействия алюминия с элементом, восстановленным из легирующего оксида. Количество же легирующего оксида. который вводится в исходную смесь образования основной упрочняющей фазы — оксида магния (MgO) определяется необходимым содержанием оксида магния в композиционном материале. Оптимальное содержание магния в прототипе составляло 4,5 мас., При этом образовалось 7,5 мас., оксида магния.

Концентрация восстановленного из легирующего оксида элемента достигает значений, значительно превышающих его содержание в обычно применяемых промышленных сплавах, Так при содержании в композиционном материале основной упрочняющей фазы— оксида магния в.количестве 7,5 мас.$ иэ легирующего оксида в зависимости от состава композиций восстанавливается 127ь меди; 8,5 кобальта: 7,4 никеля; 5,27ь марганца; 7,1 железа: 6,1 молибдена.

При этом количество интерметаллида, образующегося при взаимодействии восстановленного элемента с алюминием, изменяется в пределах от 13 при легировании оксидом кобальта. до 21 при лвгировании оксидом меди. Особенно негативное влияние на механические свойства оказывает наличие в структуре отдельных крупных включений интерметаллидов.

Целью изобретения является повышение прочности дисперсно-упрочненных материалов на основе алюминия. Указанная цель достигается способом, включающим размол порошков алюминия, магния, взятого в количестве не более 5 мас,, и легирующей добавки в присутствии поверхностно-активного вещества в количестве не более 1 мас.$ обрабатываемой смеси в течение более 3 ч в вибромельнице при частоте колебаний камеры 20-30 с, амплитуде колебаний 4 — 6 мм, степени заполнения помольной камеры шарами 65-90, отношении объема шаров к объему смеси более

4 или аттриторе при частоте вращения вала с импеллерами 15 — 20 с, степени заполнения помольной камеры шарами 55-70, отношении объема шаров к объему смеси не менее 7 с последующей термической обработкой полученной гранулированной композиции при 500-600 С в течение более

0,5 ч и изготовлением полуфабрикатов горячей экструзией, в котором согласно изобретению в качестве легирующей добавки используются нитраты, нитриты или карбамид. При этом количество кислорода, содержащееся в легирующей добавке, вводимой в исходную смесь, стехиометрично содержанию в ней магния. Ф

Таким образом, в отличие от прототипа, в котором в качестве поставщика кислорода для образования упрочняющей фазы — оксида магния применяются порошки оксидов, в заявляемом способе в качестве легирующей добавки, содержащей элементы, необходимые для образования термодинамически стабильных упрочняющих фаз, используются нитраты, нитриты или карбамид. В случае использования нитратов и нитритов элементами, участвующими в образовании термодинамически стабильных упрочняющих фаз, являются азот и кислород; при легировании карбамидом — азот, кислород и углерод. Содержание элементов азота, 2001715

20

55 кислорода, углерода, необходимых для образования упрочняющих фаэ — нитрида алюминия (AIN). оксида магния (MgO), карбида алюминия (А(4Сз), в применяемых согласно изобретению нитратах, нитритах и карбамиде высоко. В связи с этим количество вводимой легирующей добавки примерно в 1,6 раза меньше, чем в прототипе.

Причем концентрация восстановленного из легирующей добавки элемента не превышает 2 . В то время как в прототипе она измен илас ь в и редел ах 5-13 .

Оптимальные по прочности составы исходной смеси и составы дисперсно-упрочненных композиционных материалов с общей массой упрочняющих фаз, равной

10%, полученных согласно изобретению, приведены в табл. 1.

При обработке порошковых смесей в энергонапряженной мельнице по приведенными выше режимам интенсивно протекают трибохимические реакции между исходными компонентами смеси, конечными продуктами которых являются нитрид алюминия (AIN), оксид магния (MgO) и карбид алюминия (А(4Сз). После механического легирования композиции являются дисперсно-упрочненными и имеют форму гранул с диаметром 0,2-0,6 мм с микротвердостью

1500 — 1700 МПа.

При термической обработке гранулированных композиций, заключающейся в отжиге при 500 — 600 С в течение более 0,5 ч, происходит завершение фазовых превращений, имевших место в процессе механического легирования.

Полуфабрикаты получают горячей экструзией гранулированных композиций. подвергнутых термической обработке. Материалы, получаемые по заявляемому способу, характеризуются черезвычайно дисперсным и равномерным распределением частиц упрочняющих фаз — нитрида алюминия, оксида магния и карбида алюминия, Максимальная толщина их не превышает

15 нм. (-(аличие в структуре алюминидов с грубым строением, характерных для других способов, в материалах, получаел ых по заявляемому способу, не обнаружено.

Повышение прочности, достигаемое о заявляемом способе, обусловлено прежде всего использованием для упрочнения комплекса термодинамически стабильных упрочняющих фаз — нитрида алюминия, оксида магния и карбида алюминия, имеющих ультрадисперсное строение. Причем особенно эффективно наличие в этом комплексе нитрида алюминия. Кроме этого способ исключает образование алюминидов, характеризующихся сравнительно грубым строением и оказывающих отрицательное влияние на прочность. Положительный эффект, имеющий место в заявляемом способе, подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Порошки; люминия, магния, взятого в количестве 4, 5 мас,ф,, и одного из веществ, применяемых в качестве легирующей добавки — нитрата, нитрита или карбамида с добавкой в смесь 1 $ поверхностно-активного вещества, подвергали обработке в течение 6 ч в изолированной помольной камере вибромельницы при амплитуде колебаний помольной камеры 5 мм, частоте колебаний 25 с, степени заполнения помольной камеры шарами 80, отношении объема шаров к объему смеси, равном 6. Содержание легирующей добавки во всех композициях обеспечивало образование 10 по массе упрочняющей фазы.

Полученную гранулированную композицию подвергали термической обработке при

550 С в течение 1 ч, Полуфабрикаты в виде прутков диаметром 12 мм получали экструзией гранулированных кол позиций при

450 С и степени обжатия 90 . Скорость истечения материала составляла 0,12 м/с.

Предел прочности при растяжении материалов, получаемых по заявляемому способу и прототипу, приведен о табл. 2. Составы исходной смеси (4 составы получаемых согласно изобретению дисперсно-упрочненных композиционных материалов соответствуют приведенным в табл. 1.

Относительное удлинение композиционных материалов, получаемых по заявляемому способу и прототипу, составляет

2-3" .

Пример 2, В табл. 3 приведен предел прочности при растяжении композиционного материала о зависимости от технологических параметров обработки порошковой смеси состава 90,3%AI + 4,5 Mg +

+5,2%Мп(МОз)2. В смесь дополнительно введено 1,0 стеариновой кислоты. Полуфабрикаты диаметром 12 мм получены горячей экструзией гранулированных композиций при 450 С со степенью обжатия 90, Г(р и м е р 3. В табл. 4 приведен предел прочности при растяжении композиционных материалов, получаемых по заявляемому способу и прототипу в зависимости от содержанйя в исходной смеси магния и легирующей добавки. При получении материалов по заявляемому способу в качестве легирующей добавки использован нитрат марганца — (Мп(МОз)г, по прототипу оксиц марганца — МпОр.

Легирующие добавки вводили в таком количестве. чтобы масса упрочняющих фаз

2001715 у материалов, используемых по заявЛяемому способу и прототипу. была равна, Гранулированные композиции получены обработкой в аттриторе в течение 6 ч при частоте вращения вала 20 с . степени эа- 5 полнения помольной камеры шарами 65, отношении объема шаров к объему смеси

15. Полуфабрикаты диаметром 12 мм получены горячей экструзией гранулированной композиции, предварительно подвергнутой 10 термической обработке при 550 С в течение

1 ч. Горячая экструзия осуществлялась при

450 С со степенью обжатия 90 .

Таблица 1

Состав исходной смеси, % по массе Состав

N. N- и/и

88,0% Al

88,2% А!

88,2% AI

88.3% Al

88,3% Al

88,0% Al

89,6% И

90% AI +

90% Al +

90 МоА

Таблица 2

2

4

6

8

10

89,7% Al + 5.8%

89,8% Al+ 5.7%

89,8% AI+ 5,7%

90.3% Al+ 5,2

90.2% Al+ 5,3%

89,7% Al + 5.8%

91,3% Al+ 4,2%

92,4% AI+ 4,0%

93.0% Al + 4.0%

950 Al+35

Си(МОз)2+4,5% М9

Со(ИОф+ 4,5 Mg й!(ЙОз)у + 4.5% Mg

Мп(МОз)2+ 4,5% Mg

Ее(ИОз)2+ 4,5% Mg

Zn(NOgg + 4,5% Mg

LiNOg+4,5 Mg йН4ИОз+ З,б Mg

МН4й02 + 3,0% Mg

ИОгг Со+ 1,5 М

Как следует из данных, приведенных в примерах 1, 2, 3. данное изобретение по сравнению с известными способами обеспечивает повышение предела прочности при растяжении дисперсно-упрочненных композиционных материалов при 20 С на

100 — 120 МПа, при 400 С вЂ” на 10 МПа. (56) Авторское свидетельство СССР

N. 722683, кл, В 22 F 9/04, 1980, Ловшенко Ф.Г. Исследование процесса получения дисперсно-упрочненных сплавов системы алюминий-углерод.— Порошковая металлургия. 1978. Nò 10, с. 54-58.

2001715

Таблица

Влияние технологических параметров получения нэ предел прочности полуфабрикатов (исходный состав смеси 903AI+4,5Mg+5,2 Мп(МОф

Предел прочности при растяжении, МПа

Условия термическсч обработки грэнулировэнной компози ии

Условия механического легирования

f4

n/è частота колебаний. с продолжи- темпера- продолжительность тура, С тельразмола, ч ность, ч отноше» ние объема шаров к объему смеси

CTBflBHb заполнения помольной каме ы амплитуда колебаний, мм

25

25

Таблица4

Влияние содержания магния и легирующей добавки на предел прочности металлов

2

4

6

8

11

12

13

14

16

17

18

19

21

22

23

24

26

5

5

3

6

5

5

5

5

5

5

5

5 б

5

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

8

6

8

6

6

6

550, 550

550 .

1,0

1,0

1.0 .1,0

1,0

1,0

1.0

1.0

1,0

1,0

1.0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0, 1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

0,5

2.0

10,0

650

2001715

Продолжение табл. 4

Формула изобретения

Составитель Ф. Ловшенко

Техред М.Моргентал Корректор Н. Ревская

Редактор С. Кулакова

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

Заказ 3144

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

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННЫХ АЛЮМИНИЕВЪ|Х СПЛАВОВ, включающий смешивание и совместный размол порошка алюминия и легирующей добавки в механореакторе, термическую обработку гранулированной композиции и горячую экструзию, отличающийся тем, что в смесь вводят до 5,0 мас.ф порошка магния и в качестве легирующей добавки используют нитраты, нитриты или карбамид, размол ведут в присутствии поверхностно-активного вещества в количестве не более 1,0 мас. u течение более 3 ч в вибромельнице при частоте колебаний помольной камер 20 - 30

-1

5 с, амплитуде колебаний 4 - 6 мм, степени заполнения помольной камеры шарами 65

- 90 „отношении обьема шаров к объему смеси более 4 или в аттритере при частоте вращения вала с импеллерами 15 - 20 с, 10 степени заполнения помольной камеры шарами 55 - 70%, отношении объема шаров к обьему смеси менее 7, а термическую обработку гранулированной композиции проводят при 500 - 600С более 05 ч.