Композиционный материал на основе глинистых масс и металлического наполнителя

Изобретение относится к получению композиционных материалов. Может использоваться в машиностроении, химии, энергетике, аэрокосмической и автомобильной промышленности для изготовления изделий, испытывающих ударные, динамические и сжимающие нагрузки с одновременным воздействием агрессивных сред и температуры. Металлокомпозиционный материал, содержащий, мас.%: глинистая составляющая - 69,5-94,5; алюминиевый наполнитель - 5,0-30,0; хлорид алюминия - 0,3-0,4; поверхностно-активное вещество - 0,1-0,2. Техническим результатом является повышение прочностных характеристик при уменьшении объемной массы. 3 табл.

 

Изобретение относится к композиционным материалам, используемым в машиностроении, химии, энергетике, аэрокосмической и автомобильной промышленности, для изготовления изделий, испытывающих ударные, динамические, сжимающие нагрузки с одновременным воздействием агрессивных сред и температуры благодаря их высокой прочности, малому удельному весу и возможности продолжительного срока службы.

В большинстве случаев в качестве металлокомпозиционных материалов широкого применения используются керметы, содержащие корунд, карбиды, нитриды, карбонитриды, их смеси в качестве матрицы и хром или сплав хрома с молибденом, кобальт, никель, железо или их сплавы в качестве металлического наполнителя [Химическая технология керамики и огнеупоров. / Под ред. П.П.Будникова. - М.: "Издательство литературы по строительству", - 1972, - 552 с.].

Недостатком известных металлокерамических материалов (керметов различного состава) являются высокие объемная масса, стоимость металлического наполнителя и керамической составляющей, температура обжига.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является металлокерамический материал, включающий порошок оксида алюминия и измельченную стружку алюминиевого сплава [Пат. РФ 2202643, МПК С22С 1/05. Способ получения композиционного материала из алюминиевого сплава (его вариант) и композиционный материал. / А.А.Аксенов, В.С.Золоторевский, А.Н.Солонин, В.К.Портной; Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет); №2001126240/02; Заявл. 26.09.01, Опубл. 20.04.03.].

Недостатком данного композиционного материала являются большая объемная масса, невысокие прочностные характеристики и его дороговизна.

Изобретение направлено на повышение прочностных характеристик при меньшей объемной массе, а также удешевление композиционного материала.

Это достигается тем, что металлокерамический материал, содержащий глинистую составляющую и алюминиевый наполнитель, согласно предлагаемому решению дополнительно содержит поверхностно-активное вещество и хлорид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

глинистая составляющая	69,5-94,5
алюминиевый наполнитель	5,0-30,0
хлорид алюминия	0,3-0,4
поверхностно-активные вещества	0,1-0,2

Заявляемое решение отличается от прототипа тем, что заявляемый композиционный материал дополнительно содержит хлорид алюминия и поверхностно-активное вещество в предложенных авторами количественных соотношениях. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

В результате сравнения заявляемого технического решения не только с аналогами, но и с другими техническими решениями в данной области не обнаружено использования поверхностно-активных веществ и хлорида алюминия при изготовлении композиционных материалов на основе глинистых масс и алюминиевого наполнителя, при этом повышение прочностных свойств композита является неочевидным, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

В качестве глинистой составляющей могут использоваться каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые глины и другие глинистые компоненты, имеющие следующий химический состав (см. табл.1):

Таблица 1
Химический состав глинистой составляющей
Показатель	SiO2	Al2О3	Fe2О3	TiO2	K2O	CaO+MgO	П.п.п.
Значение, %	25-45	35-65	0,3-1,2	0,5-1,6	0,9-2,3	0,3-4,8	5,0-13,6

В качестве алюминиевого наполнителя могут использоваться как чистый алюминий, так и алюминиевые сплавы с металлами, близкими по температуре плавления.

Использование алюминия в качестве наполнителя при производстве композиционного материала обусловлено высокой пластичностью, низкой температурой плавления и высокими технологическими свойствами. Кроме того, имеется известное химическое сродство наполнителя с глинистой составляющей, содержащей Al₂O₃.

Пределы содержания наполнителя определяются следующим: при содержании алюминия более 30 мас.% происходят значительные выплавы алюминия из материала в процессе его изготовления, сопровождающиеся разрыхлением структуры прослойками нестабильного оксида алюминия. Снижение содержания металла менее 5 мас.% приводит к ухудшению прочностных характеристик композиционного материала.

В качестве поверхностно-активных веществ могут использоваться неорганические кислоты, щелочи, соли неорганических кислот.

Введение от 0,3-0,4 мас.% хлорида алюминия и 0,1-0,2 мас.% поверхностно-активных веществ достаточно для протекания физико-химических реакций в композите. При большем содержании этих компонентов увеличивается стоимость композиционного материала, при меньшем содержании будет недостаточно активирована поверхность глинистой составляющей, что приводит к ухудшению прочностных свойств. Известно, что введение аналогичных поверхностно-активных веществ в композиционные материалы с высоким содержанием алюминиевого наполнителя способствуют образованию связей между составляющими компонентами за счет механической и физической адгезии. Применение хлорида алюминия и поверхностно-активных веществ способствует образованию известных связей в композите за счет механической адгезии, одновременно с этим происходит образование новых физико-химических связей между компонентами смеси. Образование последних является неочевидным, так как не вытекает из уровня техники. Таким образом, авторами впервые установлена неизвестность поведения хлорида алюминия в сочетании с поверхностно-активными веществами в заявляемых количественных соотношениях, в результате чего возрастают прочностные характеристики композиционного материала при снижении его объемной массы.

Количественное содержание компонентов предлагаемого и известных материалов приведено в табл.2.

Пример 1. 10 г порошка алюминия дисперсностью 100 мкм тщательно перемешивали с 40 г обогащенного каолина Глуховецкого месторождения дисперсность 64 мкм в шаровой мельнице в течение 20 мин. Полученный материал увлажняли 1,6 г 10% водного раствора AlCl₃ с одновременным введением 0,4 г 10% поверхностно-активного вещества - водного раствора триполифосфата натрия (в пересчете на сухое вещество хлорид алюминия составляет 0,4%, поверхностно-активное вещество составляет 0,1%). Полученную смесь закладывали в пресс-форму высотой 8 см, диаметром 2 см и прессовали методом полусухого прессования под удельным давлением 6-7 МПа. Полученный материал-сырец сушили до постоянной массы и подвергали термообработке в муфельной печи до температуры 1300°С (необходим плавный подъем с режимом 10°С/мин до температуры 200°С, затем необходима 30-минутная выдержка при данной температуре для удаления химически связанной воды и 30-минутная выдержка при температуре 580°С для полного перехода α-модификации кварца в β-форму), выдерживали в течение 60 мин и отжигали в течение 14 часов до полного его остывания. Образец композиционного металлокерамического материала имел объемную массу 2,55 г/см³, прочность на сжатие 265 МПа, водопоглощение 0,9%.

Для получения сравнительных данных параллельно проводились аналогичные эксперименты с другими количественными соотношениями компонентов. Данные по количественному содержанию компонентов приведены в табл.2. Результаты физико-механических испытаний представлены в табл.3.

Таблица 2 Количественное содержание компонентов в материалах
Компонент	Содержание, мас.%
	Предлагаемый материал	Аналог (кермет)	Прототип
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Корунд	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	51	25
Каолиновая глина	79,5	94,5	84,5	69,5	-	-	-	-	79,5	-	-	-
Монтмориллонитовая глина	-	-	-	-	94,5	84,5	79,5	69,5	-	79,5	-	-
Алюминиевый наполнитель	20	5	15	30	5	15	20	30	20	20	6	75
Модификатор AlCl3	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	0,3	0,3	-	-
Триполифосфат натрия	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,2	0,2	-	-
Порошок Cr	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	43	-

Таблица 3 Свойства металлокомпозиционных материалов.
Показатель	Предлагаемый материал	Аналог (кермет)	Прототип
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Объемная масса, г/см3	2,55	2,51	2,52	2,58	2,52	2,54	2,57	2,61	2,53	2,55	4,63	3,65
Предел прочности при сжатии, МПа	265	225	253	201	192	208	217	186	263	215	224	160
Усадка при обжиге, %	8,7	9,5	9,0	8,2	6,9	6,7	6,2	5,8	8,8	6,4	14,5	нет данных
Термостойкость циклов при 20-1350°С	22	17	17	19	18	19	25	20	22	25	10	25
Водопоглощение, %	0,9	0,7	0,8	1,9	6,0	6,2	6,4	7,0	0,9	6,4	0,5	нет данных

Из табл.3 видно, что предлагаемый металлокомпозиционный материал обладает более высокими прочностными показателями при значительно меньшей объемной массе по сравнению с известными решениями, что позволяет существенно расширить область его применения. Удешевление композиционного материала происходит за счет значительного уменьшения энергозатрат на его производство, применения более дешевой глинистой составляющей.

Металлокомпозиционный материал, содержащий глинистую составляющую и алюминиевый наполнитель, отличающийся тем, что дополнительно содержит поверхностно-активное вещество и хлорид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Глинистая составляющая	69,5-94,5
Алюминиевый наполнитель	5,0-30,0
Хлорид алюминия	0,3-0,4
Поверхностно-активное вещество	0,1-0,2