Способ получения пористого металла и изделий из него

 

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в строительстве, автомобилестроении, авиастроении и в других отраслях, где требуется сочетание таких свойств материала, как легкость, плавучесть, негорючесть, тепловая и звуковая защита. Способ включает смешивание металла с порофором, получение плотной заготовки, высокотемпературную термообработку и охлаждение, при этом перед смешиванием металл расплавляют и сливают в распылитель с одновременным введением в расплав порофора, полученную смесь распыляют с последующим охлаждением, при этом смешивание, распыление и охлаждение частиц ведут в течение времени, исключающего термическое разложение порофора. Изобретение позволяет исключить дефекты, связанные с образованием макро- и микронесплошностей в плотной заготовке и повысить выход годного, а также расширить номенклатуру получаемых пористых изделий. 8 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в строительстве, автомобилестроении, авиастроении и других отраслях, где требуется сочетание таких свойств материала, как легкость, плавучесть, негорючесть, тепловая и звуковая защита.

Известен способ получения пористого металла, включающий приготовление смеси из порошка как минимум одного металла и как минимум из порошка одного порофора, горячее компактирование смеси, обеспечивающее получение плотной заготовки и последующую термическую обработку полученной заготовки (патент ФРГ 4101630, М. кл.⁵ B 22 F 3/18, В 22 F 3/24, 1991 г.).

Недостатком этого способа является узкая номенклатура получаемых изделий, т.к. способ позволяет получать относительно небольшие плотные заготовки достаточно ограниченных конфигураций. Кроме того, низкая производительность из-за большого количества операций получения плотной заготовки.

Известен способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков алюминиевых сплавов с порофорами с температурой термического разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса алюминиевого сплава, получение плотной заготовки горячим компактированием смеси и последующую термическую обработку плотной заготовки (патент РФ 2085339, В 22 F 3/11, 3/18, 1995 г.) - прототип.

Недостатком этого способа является узкая номенклатура получаемых полуфабрикатов как по размерам, так и по конфигурации, а также низкий выход годного из-за дефектов, связанных с образованием макро- и микронесплошностей в плотной заготовке при компактировании.

Предлагаемый способ получения пористого металла и изделий из него включает расплавление металла, слив расплава в распылитель с одновременным введением в расплав порофора. Полученную смесь распыляют и охлаждают полученные частицы. Смешивание расплава с порофором, распыление и охлаждение частиц ведут в течение времени, исключающего термическое разложение порофора. Затем ведут высокотемпературную термическую обработку и охлаждение.

Перед сливом в распылитель в расплав металла вводят тугоплавкие частицы керамического материала.

Перед высокотемпературной термообработкой частицы компактируют, обеспечивая требуемую плотность и форму изделия.

После распыления частицы засыпают в форму послойно, засыпая каждый последующий слой на предыдущий после его высокотемпературной термообработки и охлаждения.

При высокотемпературной термообработке нагрев плотной заготовки ведут с различной скоростью на отдельных участках нагрева, а охлаждение осуществляют при достижении, по крайней мере, на одном из участков заготовки температуры на 40-70^oС выше температуры фазового перехода твердое-жидкое.

При высокотемпературной термообработке осуществляют регламентированное охлаждение отдельных участков плотной заготовки.

Высокотемпературную термообработку ведут в восстановительной или безокислительной атмосфере при постоянном давлении.

Перед высокотемпературной термообработкой плотной заготовки на ее поверхность наносят термостойкое газонепроницаемое покрытие.

Предлагаемый способ позволяет получать гомогенную смесь, состоящую из металлических плотных частиц с порофором внутри с одинаковым составом и свойствами, поскольку процесс смешивания порофора и расплава происходит в тонких слоях, двигающихся с высокой относительной скоростью и за время, составляющее доли секунды. Эти частицы после высокотемпературной термообработки приобретают сферическую форму и поровую структуру. Эти частицы являются по существу полуфабрикатом, дальнейшее их применение позволяет получать пористые изделия с высоким выходом годного (практически 100%) и различной конфигурации. Кроме того, эти частицы могут быть использованы в качестве наполнителя оболочек, закрытых и других подобных систем, использование этих частиц создает новые перспективы изготовления пористых легких и высокопрочных изделий, в том числе и с открытой структурой. За счет послойной засыпки последующего слоя на предварительно вспененный предыдущий слой можно получать изделия практически неограниченной толщины и с высокой пористостью, а за счет введения керамических частиц - и более прочные изделия.

Ведение высокотемпературной термообработки в восстановительной атмосфере обеспечивает преобразование окисной пленки на поверхности плотной заготовки в чистый металл, что оказывается важным фактором, например, для соединения отдельных заготовок друг с другом за счет сваривания, спекания и т.п. процессов и в конечном итоге обеспечивает повышение выхода годного. Применение безокислительной среды при высокотемпературной термической обработке предотвращает дальнейшее окисление плотной заготовки, что непосредственно влияет на качество готового продукта и повышает выход годного.

Ведение нагрева с различной скоростью на отдельных участках нагрева при высокотемпературной термической обработке плотной заготовки служит цели добиться максимальной полноты вспенивания и повышает выход годного по показателю плотности готового изделия. Регулированием скорости нагрева добиваются минимальной потери порофором газа до момента вспенивания за счет, например, быстрого повышения температуры на участке нагрева вблизи температуры фазового перехода металла "твердое-жидкое".

Охлаждение заготовки, которое осуществляют при достижении, по крайней мере, на одном из участков заготовки температуры на 40-70^oС выше температуры фазового перехода твердое-жидкое обеспечивают с целью достижения полноты прохождения вспенивания, когда обеспечивается полное разложение порофора и, соответственно, максимальный рост пористости.

Снижение температурной границы охлаждения ниже уровня +40^oC относительно температуры фазового перехода приводит к получению изделия с нерегулярной и слабо развитой пористостью, которая будет близка к плотности заготовки до ее термообработки.

Охлаждение с температуры выше температуры фазового перехода на величину больше чем +70^oC приводит к получению пористой заготовки с нерегулярной крупной или схлопнутой пористостью с сильно окисленной поверхностью.

Ведение охлаждения с температуры +(40-70^oC) выше температуры фазового перехода обеспечивает достижение оптимальной пористой структуры заготовки при максимальном выходе годного.

Регламентированное ведение охлаждения отдельных участков заготовки при высокотемпературной термообработке обеспечивает достижение заданной локальной плотности материала заготовки в одних случаях или равномерной плотности в других, например, при наличии зон перегрева на заготовке. В конечном итоге регламентированное охлаждение повышает выход годного, обеспечивая достижение заданного распределения плотности в теле заготовки.

Нанесение на поверхность заготовки перед термообработкой термостойкого газонепроницаемого покрытия предотвращает прорыв газа через поверхность заготовки при вспенивании, что способствует формированию более качественной упорядоченной поровой структуры и обеспечивает повышение выхода годного.

Предлагаемый способ получения вспененного металла и изделий из него был опробован на алюминиевых сплавах в двух вариантах.

Примеры осуществления способа ПРИМЕР 1 Сплав на основе алюминия марки 01959 в количестве 104 кг (температура фазового перехода твердое-жидкое 620-640^oC расплавили и при температуре 750-800^oC направили по керамическому желобу в центробежный распылитель с расходом 4-5 кг/мин. В распылитель подавали порошок порофора ТiН₂ общим количеством 2 кг равномерно в течение всего периода распыления и замешивали его с расплавом, частицы смеси расплава с ТiН₂ после распылителя направляли в воду для охлаждения. После отделения частиц от воды и сушки получили 95 кг частиц-гранул алюминиевого сплава с порофором ТiН₂. Эту массу гранул разделили на 5 порций по 18 кг каждая и одну порцию в 5 кг.

Первую порцию гранул (18 кг) подвергли термической обработке в безокислительной среде атмосферного давления (в атмосфере аргона) при температуре греющей среды 700^oC. В результате получили 18 кг пористых частиц с плотностью 600 кг/м³. Выход годного составил ~100%. Частицы применили частью для заполнения трубчатой тонкостенной полости, использованной в качестве опытного гасителя ударной нагрузки бампера автомобиля, частью для заполнения активной зоны глушителя автомобиля.

Вторую порцию частиц (18 кг) подвергли горячему компактированию в плотную порофоросодержащую заготовку. Для этого частицы засыпали в капсулу ⊘ 290 мм высотой 174 мм из алюминиевого сплава АД31, нагрели до температуры 455^oС и отпрессовали полосу 40250710 мм на прессе усилием 50 МН. Затем полосу нагрели до температуры 465^oС и прокатали на стане "Трио" на листы толщиной 3 мм.

Листы разделили на три группы по два листа в каждой и каждую группу подвергли термической обработке по следующим режимам: - первую группу из 2-х листов нагрели до температуры 670^oС, т.е. на 30^oС выше температуры твердое-жидкое сплава 01959 и охладили; - вторую группу из 2-х листов нагрели до температуры 720^oС, т.е. на 80^oС выше температуры твердое-жидкое сплава 01969 и охладили; - третью группу из 2-х листов нагрели до температуры 700^oС, т.е. на 60^oС выше температуры твердое-жидкое сплава 01959 и охладили.

В результате получили пористые листы со следующими параметрами толщин по группам: - листы первой группы имели толщину 9,5-9,8 мм, что существенно ниже требуемой (15-16 мм), - листы второй группы обладали значительным разбросом толщины (даже в пределах одного листа) от 8,6 до 13,5 мм, причем, как правило, меньшую толщину листы имели вблизи кромок, - листы третьей группы обладали равномерной толщиной, которая составила 15,2-15,9 мм.

Выход годного здесь составил 100%.

Третью порцию частиц (18 кг) разделили на 6 равных частей по 3 кг каждая.

Первую часть (3 кг) засыпали в прямоугольную форму слоем 5 мм, создали восстановительную атмосферу с давлением 30 МПа, равномерно и всесторонне нагрели до температуры 690^oС, снизили давление водорода до атмосферного и охладили. После охлаждения получили пористый брикет высотой 12 мм с открытыми порами между спекшимися пористыми сферическими частицами. На него засыпали затем второй слой гранул, высотой 5 мм и повторили вышеописанные операции нагрева и охлаждения. В результате получили брикет высотой 24 мм с одинаковой плотностью 0,48 г/см³ по всей высоте полученного брикета. Затем те же операции проделали, засыпав последовательно 3-й, 4-й, 5-й, 6-й слой частиц. В результате послойной засыпки и послойной термообработки получили прямоугольный пористый брикет высотой 72 мм с одинаковой плотностью по высоте, равной 0,48 г/см³, одинаковой открытой пористостью между спекшимися пористыми частицами сферической формы. Выход годного составил 100%. Брикет использовали в качестве газового фильтра.

Четвертую порцию гранул (18 кг) подвергли горячему компактированию по тем же режимам, что и вторую порцию гранул. Однако полученные листы перед термической обработкой протравили в кислотной ванне и нанесли на их поверхность электролитическим способом металлическое покрытие на медной основе. Листы затем подвергли термической обработке при температуре 700^oC в безокислительной среде (аргоне) при атмосферном давлении. В результате получили пористые полуфабрикаты в виде листов-карточек размером 32х600х1000 мм. На поверхности вспененных листов не было обнаружено отверстий, трещин и других несплошностей и дефектов. Выход годного составил 100%. Листы использованы для декоративной отделки фасадов.

Пятую порцию частиц (18 кг) подвергли горячему компактированию по тем же режимам, что и порции два и четыре. Полученные листы в количестве двух штук при термической обработке нагревали по различным режимам с различной скоростью, а именно: первый лист до температуры 630-640^oC со скоростью 100 гр/мин, а затем выдерживали в термостате при 700^oC до полного завершения вспенивания и охлаждали.

Второй лист нагревали в термостате при 700^oC до полного вспенивания и охлаждали. Скорость нагрева второго листа при этом составила ~60 гр/мин на участке нагрева 630-640^oC.

Полученные листы-карточки имели следующие размеры: первый лист: 32х600х1000 мм,
второй лист: 25х600х1000 мм.

Плотность первого листа оказалась на 20% ниже, чем второго. Различная скорость нагрева на участке 630-640^oC обеспечила, при прочих равных условиях, достижение различной плотности заготовки после термической обработки. Расширена номенклатура готовых изделий.

Шестую порцию частиц (5 кг) засыпали в форму с объемной сложной конфигурацией, форму с частицами поместили в печь с восстановительной атмосферой (водородом) и подвергли высокотемпературной термообработке при 700^oC, а затем охладили.

В результате получили изделие сложной конфигурации с упорядоченной поровой структурой, в которой одновременно присутствуют закрытые и открытые поры. Плотность готового изделия составила 0,36 г/см³. Изделие применили в качестве носителя катализатора для избирательного поглощения вредных компонентов газовой смеси.

Расширена номенклатура готовых изделий, изготавливаемых из порофорсодержащих металлических частиц.

ПРИМЕР 2
Порошок алюминиевого сплава марки 1209 (Т_sol=550^oС, Т_l=630^oС) в количестве 108 кг смешали с 12 кг порофора СаСО₃ (Т_{разло жения}=720^oС), засыпали в неразборную емкость диаметром 290 мм, высотой 1100 мм, которая была изготовлена из сплава марки АД31, емкость со смесью нагрели до температуры 540^oС, затем нагретую емкость спрессовали в плотную заготовку на прессе усилием 50 МН, на отдельных участках плотной заготовки имели место пузыри, расслоения, трещины. Размер полученной заготовки 40х250х4500 мм, остывшую полосу разрезали на 4 части размером 40х250х1000 мм. Заготовки нагрели до температуры 550^oС и на прокатном стане "Трио" прокатали на листы размером 5х1000х2000 мм. В отдельных частях листов имелись пузыри и трещины.

Провели высокотемпературную термообработку каждого листа на плоской форме, после термообработки вынули формы с листами из печи, охладили, сняли листы с формы. Получили 4 листа размером 980х1900 мм. Толщина листов в некоторых частях менялась от 15 до 25 мм, соответственно, плотность пористых листов по объему не была однородной, она менялась от 0,5 до 1 г/см³. Такая тенденция наблюдалась по кромкам листов, и они были обрезаны по 100 мм с каждой из четырех сторон, поэтому выход годного по отношению к полосе составил 85% отн.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет расширить номенклатуру получаемых пористых полуфабрикатов, увеличить выход годного по пористым полуфабрикатам относительно плотных заготовок до 98-100% отн., т.е. увеличить на 10-15% отн. по сравнению с известным способом.

Формула изобретения

1. Способ получения пористых изделий, включающий смешивание металла с порофором, получение плотной заготовки, высокотемпературную термообработку и охлаждение, отличающийся тем, что перед смешиванием металл расплавляют и сливают в распылитель с одновременным введением в расплав порофора, полученную смесь распыляют с последующим охлаждением, при этом смешивание, распыление и охлаждение частиц ведут в течение времени, исключающего термическое разложение порофора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в расплав металла перед сливом в распылитель вводят тугоплавкие частицы керамического материала.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что перед высокотемпературной термообработкой частицы компактируют, обеспечивая требуемую плотность и форму изделия.

4. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что полученные частицы засыпают послойно в форму, засыпая каждый последующий слой на предыдущий слой после его высокотемпературной термообработки и охлаждения.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что при высокотемпературной термообработке нагрев плотной заготовки ведут с различной скоростью на отдельных участках нагрева, а охлаждение осуществляют при достижении, по крайней мере, на одном из участков заготовки температуры на 40-70^oС выше температуры фазового перехода твердое-жидкое.

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что при высокотемпературной термообработке осуществляют регламентированное охлаждение отдельных участков плотной заготовки.

7. Способ по любому из пп.1, 2, 3, 5 и 6, отличающийся тем, что высокотемпературную термообработку ведут в восстановительной атмосфере при постоянном давлении.

8. Способ по любому из пп.1, 2, 3, 5, 6 и 7, отличающийся тем, что высокотемпературную термообработку ведут в безокислительной атмосфере при постоянном давлении.

9. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что перед высокотемпературной термообработкой плотной заготовки на ее поверхность наносят термостойкое газонепроницаемое покрытие.