Способ получения полуфабрикатов из пеноалюминия

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при изготовлении материалов и изделий для строительства, промышленности, транспорта и в других областях деятельности, где требуются легкие, прочные, износостойкие, безопасные наполнители и композиционные материалы на их основе, обеспечивающие звукотеплоизоляцию и защиту от вредных факторов окружающей среды. Предложен способ получения полуфабрикатов из пеноалюминия, включающий приготовление смеси из порошка алюминиевого сплава и порошка порофора, имеющего температуру разложения в диапазоне температур солидуса-ликвидуса порошка алюминиевого сплава, засыпку смеси в емкость из алюминиевого сплава, ее уплотнение горячей деформацией, измельчение полученной плотной заготовки на частицы, высокотемпературную термообработку, при которой каждую отдельную частицу нагревают до температуры образования в ее объеме 50-98% жидкой фазы, исключая контакт с другими частицами, выдержку нагретой частицы при этой температуре до достижения формы готового полуфабриката с последующим охлаждением до температуры солидуса со скоростью не менее 0,1^oС/с, окончательное охлаждение. Изобретение позволяет получить сыпучий пористый материал пониженной плотности и повысить выход годного. 12 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении материалов и изделий для строительства, промышленности, транспорта и в других областях деятельности, где требуются легкие, прочные, износостойкие, безопасные наполнители и композиционные материалы на их основе, обеспечивающие звукотеплоизоляцию и защиту от вредных факторов окружающей среды.

Известен способ получения пористых полуфабрикатов и готовых изделий из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков алюминиевых сплавов с порофорами с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса порошка алюминиевого сплава, засыпку полученной смеси в неразборную емкость из алюминиевого сплава, нагрев емкости с порошковой смесью до температуры ниже температуры солидуса порошка алюминиевого сплава, горячее прессование в плотную заготовку, горячую деформацию плотной заготовки, охлаждение, помещение заготовки в форму из материала, химически не взаимодействующего с материалом заготовки и сохраняющего геометрию и размеры при термообработке, термическую обработку (патент РФ 2085339, В 22 F 3/11, 3/18,1995).

Недостатком этого способа является низкий выход годного из-за неравномерного вспенивания по всему объему заготовки, причиной которого являются микро- и макронесплошности, присутствующие в плотной заготовке, ограниченная номенклатура получаемых полуфабрикатов по плотности и размеру.

Известен также способ получения пористых полуфабрикатов и готовых изделий из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков алюминиевых сплавов с порофорами с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса порошка алюминиевого сплава, засыпку смеси в емкость из алюминиевого сплава, ее уплотнение горячей деформацией, измельчение полученной плотной заготовки на частицы, высокотемпературную термообработку в форме, которую ведут, подвергая заготовку всестороннему равномерному нагреву до температуры на 40-70^oС выше температуры фазового перехода твердое - жидкое, и окончательное охлаждение (патент RU 2154548, B 22 F 3/00, 3/18, 3/24, 2000 - прототип).

Недостатком этого способа является невозможность изготовления пористого сыпучего материала и низкий выход годного.

Задачей предлагаемого изобретения является возможность получения сыпучего пористого материала пониженной плотности и повышение выхода годного.

Предлагаемый способ получения полуфабрикатов из пеноалюминия включает приготовление смеси из порошка алюминиевого сплава и порошка порофора, имеющего температуру разложения в диапазоне температур солидуса-ликвидуса порошка алюминиевого сплава, засыпку смеси в емкость из алюминиевого сплава, ее уплотнение горячей деформацией, измельчение полученной плотной заготовки на частицы, высокотемпературную термообработку, при которой каждую отдельную частицу подвергают нагреву до температуры образования в ее объеме 50-98% жидкой фазы, исключая контакт с другими частицами, выдержку нагретой частицы при этой температуре до достижения формы готового полуфабриката с последующим охлаждением частицы до температуры солидуса со скоростью не менее 0,1^oС/с, окончательное охлаждение.

Перед засыпкой в емкость порошковую смесь нагревают до температуры горячей деформации.

Засыпку смеси ведут в емкость из деформируемого или порошкового алюминиевого сплава, содержащего порофор.

Плотную заготовку перед измельчением нагревают до температуры пластичного состояния.

После измельчения плотной заготовки полученные частицы разделяют на фракции.

На поверхность частиц наносят газонепроницаемое покрытие.

Перед высокотемпературной термообработкой осуществляют нагрев частиц в псевдоожиженном слое до температуры солидуса.

Высокотемпературную термообработку осуществляют в атмосфере окислительного газа.

Высокотемпературную термообработку осуществляют в атмосфере нейтрального газа.

Высокотемпературную термообработку осуществляют в атмосфере восстановительного газа.

Высокотемпературную термообработку осуществляют при давлении среды ниже атмосферного.

Высокотемпературную термообработку осуществляют при давлении среды выше атмосферного.

Высокотемпературную термообработку осуществляют в жидкости с плотностью, большей плотности готового полуфабриката.

Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что порошок алюминиевого сплава смешивают с порофором, имеющим температуру разложения в диапазоне температур солидуса-ликвидуса порошка алюминиевого сплава, высокотемпературную термообработку ведут, подвергая каждую отдельную частицу нагреву до температуры образования в ее объеме 50-98% жидкой фазы, исключая контакт с другими частицами, нагретую частицу выдерживают при этой температуре до достижения формы готового полуфабриката, после чего ведут охлаждение частицы до температуры солидуса со скоростью не менее 0,1^oС/с.

Перед засыпкой в емкость порошковую смесь нагревают до температуры горячей деформации.

Засыпку смеси ведут в емкость из деформируемого или порошкового алюминиевого сплава, содержащего порофор.

Плотную заготовку перед измельчением нагревают до температуры пластичного состояния.

После измельчения плотной заготовки полученные частицы разделяют на фракции.

На поверхность частиц наносят газонепроницаемое покрытие.

Перед высокотемпературной термообработкой осуществляют нагрев частиц в псевдоожиженном слое до температуры солидуса.

Высокотемпературную термообработку осуществляют в атмосфере окислительного газа.

Высокотемпературную термообработку осуществляют в атмосфере нейтрального газа.

Высокотемпературную термообработку осуществляют в атмосфере восстановительного газа.

Высокотемпературную термообработку осуществляют при давлении среды ниже атмосферного.

Высокотемпературную термообработку осуществляют при давлении среды выше атмосферного.

Высокотемпературную термообработку осуществляют в жидкости с плотностью, большей плотности готового полуфабриката.

Предлагаемый порядок операций и режим их проведения позволяет обеспечить формирование отдельных пористых частиц заданной формы, совокупность которых образует сыпучий материал. Частицы формируются за счет использования давления выделяющихся из порофора при его разложении газов, сил поверхностного натяжения части алюминиевого сплава, перешедшей в жидкую фазу, и каркаса, образованного остаточной твердой фазой алюминиевого сплава. При предлагаемом способе происходит более полное вспенивание каждой частицы из-за исключения внешних ограничений для ее расширения. Это позволяет снизить плотность получаемого полуфабриката. Плотные частицы, полученные после полного измельчения плотной заготовки, полностью, без отходов, перерабатываются в пористый сыпучий материал, что повышает выход годного.

Примеры реализации способа.

Порошок алюминиевого сплава марки 01969 (температура фазового перехода твердое-жидкое 630-650^oС) в количестве 105 кг нагрели до температуры 500^oС и смешали с 1,1 кг порофора T_iH_1,8 (температура начала разложения при атмосферном давлении 630-640^oС). Нагретую смесь засыпали в неразборную емкость диаметром 290 мм, высотой 1100 мм, массой 3,4 кг, изготовленную из сплава марки 01969, с добавкой одного процента порофора T_iH_1,8. Заполненную нагретой смесью емкость спрессовали в плотную заготовку на прессе усилием 50 МН, используя глухую матрицу. Получили брикет массой 109,5 кг. Затем отпрессовали пруток диаметром 90 мм, который охладили и порезали на мерные заготовки длиной 150 мм. Получили 41 цилиндрическую заготовку массой 2,575 кг каждая.

1. Десять заготовок нагрели до температуры 500^oС и переработали в проволоку диаметром 3 мм. Проволоку нагрели до температуры пластичного состояния, равной 450^oС, и разрезали на отрезки длиной 4-6 мм. Получили 25,750 кг плотных, однородных частиц, не имеющих внутренних и поверхностных макродефектов. Частицы на вибросите разделили на фракции ⊘3•4⁺¹ мм и ⊘3•5⁺¹ мм. Каждую фракцию поочередно нагрели в пссвдоожиженном слое до температуры 625^{+5 o}С, псевдоожижение производили сжатым воздухом. Нагретые частицы с помощью вибротранспортера переместили в движущийся расплав солевой смеси состава NaCl 28% + CaCl₂ 72 (мас.%), нагретый до 645^oС, ρ=2 г/см³. Частицы погружали в расплав последовательно, одну за другой, благодаря чему исключили их взаимное соприкосновение в период нахождения в расплаве. В солевой ванне каждую частицу нагрели до температуры 645^oС, в результате 85% материала частицы расплавилось с образованием жидкой фазы, остаточное содержание равномерно распределенной твердой фазы составило 15%. При этой температуре каждую частицу выдержали в течение 5 мин для разложения порофора с образованием газовой фазы и вспенивания. В результате вспенивания частицы приобрели форму шара ⊘8⁺² мм, а их плотность стала меньше плотности соляного расплава и каждая из них поднялась на поверхность. По мере всплытия частицы специальным конвеером, исключая их взаимное соприкосновение между собой, извлекали из расплава соли и охлаждали сжатым воздухом до температуры солидуса (630^oС) со скоростью 0,5-0,6^oС/с с целью предотвращения опадания пены. После промывки и просушки получили 3,500 кг частиц с плотностью, превышающей 1 г/см³ (насыпная плотность составила 0,8 г/см³), и 22,250 кг частиц с плотностью менее 1 г/см³ (насыпная плотность составила 0,35 г/см³). Частицы использовали для изготовления звукопоглощающего элемента шумозащитного экрана. Звукопоглощение экрана с активным элементом из гранулированного пеноалюминия на 10-15 дБ выше, чем у экрана с активным элементом одинаковой массы из листового пеноалюминия.

2. Десять заготовок отпрессовали в трубки ⊘10•3 мм. Трубки нагрели до температуры пластичного состояния 500^oС и разрезали на кольца толщиной 3 мм. Получили 25 кг плотных колец.

Десять килограммов плотных колец в один слой разместили на поддонах, причем расстояние между соседними кольцами обеспечили не менее 10 мм, что предотвратило их взаимодействие между собой в ходе дальнейшей термической обработки. Кольца на поддонах поместили в печь и нагрели их до температуры 645^oС, в результате 85% материала колец расплавилось, образовав жидкую фазу. В качестве окислительной атмосферы в печи использовали атмосферный воздух с повышенным до 2-5% содержанием СО. Кольца выдержали в печи в течение 6 мин. В результате разложения порофора и выделения газовой фазы внутри жидкой фазы образовались поры. Избыточное давление газовой фазы привело к увеличению объема, при этом под действием сил поверхностного натяжения кольца приобрели форму тора. При достижении формы тора поддоны с кольцами выгрузили из печи и охладили холодным сжатым воздухом, обеспечив скорость охлаждения 0,5-0,6^oС/с. За счет того что в процессе высокотемпературной обработки в печи поддерживали окислительную атмосферу, полученные пористые частицы имели сильно окисленную поверхность, имеющую хорошую адгезию к лакокрасочным и полимерным покрытиям. Получили десять килограммов пористых частиц торроидальной формы, имеющих плотность 0,7 г/см³, насыпную плотность 0,3 г/см³. Частицы были использованы в качестве наполнителя при изготовлении крупногабаритного изделия из пластмасс - переносной секции дорожного ограждения - для снижения ее массы и улучшения защитных ударопоглощающих функций. В результате применения гранулированного пеноалюминия масса секции снизилась на 10%, а энергопоглощение при ударе возросло на 20% по сравнению с известной конструкцией.

3. Пятнадцать килограммов плотных колец в один слой разместили на поддонах, причем расстояние между соседними кольцами обеспечили не менее 10 мм, что предотвратило их взаимодействие между собой в ходе дальнейшей термической обработки. Кольца на поддонах поместили в печь и нагрели до температуры 648^oС для образования в их объеме 90% жидкой фазы. В печи поддерживали избыточное давление (0,5 МПа) восстановительной атмосферы, содержащей 95% аргона и 5% водорода. Поддоны с кольцами выдержали в печи до достижения ими торроидальной формы, время выдержки составило 6 мин 30 с. Затем давление в печи было сброшено до 0,1 МПа. При сбросе давления за счет разности давлений внутри и снаружи частиц поверхностные поры вскрылись. Пористые частицы обдули холодной аргоно-водородной смесью с целью их быстрого охлаждения до температуры солидуса, равной 630^oС, для фиксации полученной пористой структуры. В результате получили 13 кг пористых частиц торроидальной формы со вскрытыми поверхностными порами, имеющих развитую, неокисленную, активную металлическую поверхность, с плотностью 0,6 г/см³, насыпной плотностью 0,25 г/см³. В дальнейшем на поверхность частиц нанесли катализатор и они были использованы при изготовлении кассет для очистки выхлопных газов. Содержание СО в очищенных газах снизилось с 2% до 0,3%.

4. Двадцать одну цилиндрическую мерную заготовку нагрели до температуры 490^oС и раскатали в листы размером 1•0,6 м толщиной 1,5 мм.

Одиннадцать листов обрезали до мерной листовой заготовки 0,8•0,5 м для дальнейшего использования в производстве; обрезки от мерных листов разрезали на квадратики размером 10•10•1,5 мм. Получили 17,82 кг мерных листовых заготовок и 9,68 кг плотных частиц.

Десять листов разрезали на плотные квадратные частицы размером 10•10•1,5 мм. Вместе с измельченными обрезками от листовых заготовок получили 34,68 кг плоских плотных частиц. Частицы нагрели в псевдоожиженном слое до температуры 610^oС, затем каждую частицу с интервалом между соседними частицами не менее 10 мм поместили на конвеер, имеющий угол наклона к горизонтальной плоскости 30^o. Находящиеся на конвеере частицы загрузили в печь, в которой создана нейтральная атмосфера, образованная аргоном (давление в печи 0,08 МПа), и нагрели до температуры 640^oС для образования 75% содержания жидкой фазы внутри частиц. Частицы перемещали в печи при указанной температуре в течение 6-7 мин, при этом из порофора выделился водород, образовавший поры. Под действием избыточного давления водорода размеры частиц увеличились, а под действием сил поверхностного натяжения жидкой фазы форма частиц изменилась от плоского прямоугольника до шара. В момент приобретения формы шара частицы перестали удерживаться на наклонной конвеерной ленте и под действием силы тяжести через шлюз последовательно выкатились из печи на приемный стол, на котором их быстро охладили потоком холодного аргона со скоростью 0,3-0,6^oС/с до температуры солидуса 630^oС. Давление окружающей среды на приемном столе 0,1 МПа. За счет обкатки поверхности при выкатывании частицы из печи, а также за счет разности давлений внутри и снаружи частицы при ее охлаждении на приемном столе до температуры солидуса на поверхности частицы образовалась плотная гидронепроницаемая корка; применение защитной атмосферы предотвратило образование мешающего поверхностному уплотнению окисного слоя. Окончательное охлаждение частиц производили в приемном бункере за счет естественного теплообмена. Получили 34, 68 кг пористых частиц сферической формы с плотностью 0,35 г/см³, насыпная плотность составила 0,2 г/см³. Частицы были использованы для создания плавающего негорючего пламягасящего слоя в масляном закалочном баке, применяющемся для закалки крупногабаритных стальных изделий. В результате были исключены случаи возгорания масла при закалке.

Всего получили 85,43 кг сыпучего материала, состоящего из пористых частиц различной формы, и 17,22 кг (11 штук) плотных листовых полуфабрикатов. Выход годного составил 94 мас. % от массы исходных материалов, что на 6% выше, чем по известному способу.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить сыпучий пористый материал с низкой плотностью и использовать этот материал при изготовлении изделий для шумопоглощения, в качестве наполнителя в сочетании с различными связующими, для воздухоочистки, для защиты от возгорании емкостей с горючими жидкостями.

Формула изобретения

1. Способ получения полуфабрикатов из пеноалюминия, включающий приготовление смеси из порошка алюминиевого сплава и порошка порофора, засыпку смеси в емкость из алюминиевого сплава, ее уплотнение горячей деформацией, измельчение полученной плотной заготовки на частицы, высокотемпературную термообработку и окончательное охлаждение, отличающийся тем, что порошок алюминиевого сплава смешивают с порофором, имеющим температуру разложения в диапазоне температур солидуса-ликвидуса алюминиевого сплава, высокотемпературную термообработку ведут, подвергая каждую отдельную частицу нагреву до температуры образования в ее объеме 50-98% жидкой фазы, исключая контакт с другими частицами, нагретую частицу выдерживают при этой температуре до достижения формы готового полуфабриката, после чего ведут охлаждение частицы до температуры солидуса со скоростью не менее 0,1^oС/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед засыпкой в емкость порошковую смесь нагревают до температуры горячей деформации.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что засыпку смеси ведут в емкость из деформируемого или порошкового алюминиевого сплава, содержащего порофор.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что плотную заготовку перед измельчением нагревают до температуры пластичного состояния.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что после измельчения плотной заготовки полученные частицы разделяют на фракции.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что на поверхность частиц наносят газонепроницаемое покрытие.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что перед высокотемпературной термообработкой осуществляют нагрев частиц в псевдоожиженном слое до температуры солидуса.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что высокотемпературную термообработку осуществляют в атмосфере окислительного газа.

9. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что высокотемпературную термообработку осуществляют в атмосфере нейтрального газа.

10. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что высокотемпературную термообработку осуществляют в атмосфере восстановительного газа.

11. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что высокотемпературную термообработку осуществляют в жидкости с плотностью, большей плотности готового полуфабриката.

12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что высокотемпературную термообработку осуществляют при давлении среды ниже атмосферного.

13. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что высокотемпературную термообработку осуществляют при давлении среды выше атмосферного.