УДК 621.36
Получение улучшенных свойст металокерамик
,
Саратовский государственный технический университет имени ,
Россия, Саратов, shilnikov. *****@***ru
Аннотация : Был произведен информационный поиск результатом которого было рассмотрение технология получения металлокерамик, свойства металлокерамик, а так же улучшение этих свойств.
Ключевые слова: Металлокерамика, конструкционный кермет, композиционный материал.
Obtain the improved properties CERMET
Shilnikov W. Y Ogurtsov K. N.
Yuri Gagarin state technical university of Saratov,
Saratov, Russia, shilnikov. *****@***ru
Abstract: An information search was carried out which resulted in consideration of the technology of obtaining cermets, the properties of cermets, and also the improvement of these properties.
Keywords: Metalloceramics, structural cermet, composite material.
Металлокерамика — искусственный материал, представляющий собой гетерогенную композицию металлов или сплавов с неметаллами (керамикой) [1].
Другие названия: керметы, керамико-металлические материалы, спеченные антифрикционные материалы, твёрдые сплавы.
Металлокерамики объединяют важные конструкционные и эксплуатационные свойства металлов и неметаллов. Они отличаются большой прочностью, высокими износо- и теплостойкостью, антикоррозионными свойствами. Применяются в качестве антифрикционных или защитных покрытий деталей и самостоятельных конструкционных материалов в авиастроении, автомобилестроении, транспортном и химическом машиностроении, электроприборостроении, трубостроении и других отраслях промышленности
Металлическая фаза металлокерамических материалов может содержать Cr, Ni, Al, Fe, Со, Ti, Zr и их сплавы. К керамической фазе относят оксиды (Al2O3, Cr2O3, SiO, SiO2, ZrO2), карбиды (SiC, Cr3C2, TiC, WC), бориды (Cr2B2, TiB2, ZrB2), силициды (MoSi), нитриды (TiN) и углерод (алмаз, графит). Содержание керамической составляющей в металлокерамике в зависимости от её типа изменяется в широких пределах от 15 до 85% (по объёму).
В науке и технике понятие металлокерамика обычно связывают с порошковой металлургией. Здесь металлокерамику получают прессованием заготовок из порошков (металлов и керамики) с последующим их спеканием. Так производят твердые металлокерамические материалы (твердые сплавы), используемые для обработки металлов резанием и для бурения горных пород.
В работе [2] рассматривается способ получения конструкционного кермета. Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к изготовлению конструкционных керметов. Может использоваться для изготовления фильтрующих элементов, носителей катализаторов и мембран, применяемых в химической промышленности, энергетике, автомобильной промышленности и машиностроении. Сущность изобретения состоит в следующем. Кермет содержит сплав алюминия с по крайней мере одним переходным металлом 4 периода Периодической таблицы, или переходный металл и сплав алюминия с по крайней мере одним переходным металлом, оксид алюминия и оксид по крайней мере одного переходного металла. Удельная поверхность кермета составляет 0,5-6,0 м2/г, пористость от 4 до 43%, а прочность не менее 4 МПа. Смешивают порошки алюминия и по крайней мере одного переходного металла 4 периода Периодической таблицы и проводят мехактивирование с формированием композиционного порошка. Полученный порошок размещают в пресс-форме, обеспечивающей доступ водяного пара, осуществляют обработку в гидротермальных условиях с образованием механически прочного монолита, сушат и прокаливают. Кермет обладает высокой удельной поверхностью металлического носителя, высокой жаростойкостью и устойчивостью к термоударам.
Изобретение относится к области технической химии, а именно к конструкционным керамометаллам (керметам), фильтрующим элементам, носителям для катализаторов и мембран, которые могут быть использованы, преимущественно, в различных гетерогенных каталитических процессах химической промышленности, а также в энергетике, автомобильной промышленности, в машиностроении.
Известно, что использование в качестве носителя для катализаторов металлов, обладающих высокой механической прочностью и теплопроводностью, позволяет уменьшить механическое разрушение катализатора и снизить вероятность локальных перегревов, а также изготавливать катализаторы в виде сложных сотовых структур. Наиболее общей проблемой для металлов, используемых в виде носителя для катализаторов сложных форм, является их низкая удельная поверхность, что существенно снижает активность катализаторов, приготовленных на основе таких носителей.
В предлагаемом изобретении оксидная матрица формируется из порошкообразных частиц алюминия или его сплавов с переходными металлами 4 периода Периодической таблицы на стадии гидротермальной обработки и прокаливания.
Достигаемый технический результат - высокая удельная поверхность металлического носителя, его высокая жаростойкость и устойчивость к термоударам.
Среди найденных работ наиболее подходящей по тематике является работа [3] (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. Сущность изобретения состоит в следующем. Металлокомпозиционный материал, содержащий, мас.%: глинистая составляющая - 69,5-94,5; алюминиевый наполни,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.
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.
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.% (см. табл.1):
Таблица 1 - 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 |
В качестве глинистой составляющей могут использоваться каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые глины и другие глинистые компоненты, имеющие следующий химический состав (см. табл.2):
Таблица 2 – Химический состав глинистой составляющей
Показатель | SiO2 | Al2О3 | Fe2О 3 | 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 Al 2O3.
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.
Для получения сравнительных данных параллельно проводились аналогичные эксперименты с другими количественными соотношениями компонентов. Данные по количественному содержанию компонентов приведены в табл.3. Результаты физико-механических испытаний представлены в табл.3.
Таблица 3 - 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 | - |
Из табл.4 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. Таблица 4 - Свойства металлокомпозиционных материалов. |
Показатель | Предлагаемый материал | Аналог (кермет) | Прототип | |||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |||
Объемная масса, г/см 3 | 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 |
В работе [4] рассматривается технологии изготовления жаропрочных и износостойких композиционных материалов.
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к разработке технологии изготовления жаропрочных и износостойких композиционных материалов на основе алюминия путем механического легирования, и может быть использовано в производстве поршней двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения является обеспечение высокого уровня прочностных свойств материалов, а также удешевление изготовления композиционного материала из алюминиевого сплава. В соответствии с первым вариантом изобретения способ изготовления композиционного материала на основе алюминия включает высокоэнергетическую механическую обработку в инертной атмосфере исходного измельченного сырья с получением активированной смеси и горячее прессование активированной смеси для получения материала, при этом в качестве исходного сырья используют смесь, содержащую 10-25 об. % оксида алюминия и предварительно измельченную стружку алюминиевого сплава - остальное, высокоэнергетическую обработку указанной смеси осуществляют в течение 16-120 мин, горячее прессование проводят при температуре, не превышающей температуру начала рекристаллизации алюминиевого сплава, а перед горячим прессованием осуществляют холодное двухстороннее прессование до достижения по меньшей мере 80% относительной плотности. При этом предварительно измельченную стружку сплава получают измельчением в планетарном активаторе с размером не более 5 мм, а в качестве порошка оксида алюминия используют порошок дисперсностью 8-12 мкм. В соответствии со вторым вариантом изобретения активированная смесь получается в результате внутреннего окисления сплава в процессе его высокоэнергетической обработки в планетарном активаторе.
Техническим результатом изобретения является получение композиционного материала, обладающего изотропностью свойств, высокой плотностью, что обеспечивает высокие механические и физические свойства при комнатной и повышенных температурах, а также стабильность механических свойств во времени.
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к разработке технологии изготовления жаропрочных и износостойких композиционных материалов на основе алюминия путем механического легирования, и может быть использовано в производстве поршней двигателей внутреннего сгорания.
К недостаткам всех известных способов получения композиционных материалов и соответственно материалов, полученных этими способами, является неудовлетворительная жаропрочность, низкая прочность и нестабильность свойств во времени. Кроме того, все описанные технологии требуют проведения консолидации материалов при достаточно высоких температурах, что приводит к снижению механических свойств и увеличению энергоемкости процессов.
Задачей изобретения является устранение всех вышеперечисленных недостатков, а также удешевление способа за счет использования отходов механической обработки сплавов в виде стружки.
Сущность изобретения состоит в следующем.
При разработке изобретения было обнаружено, что выбор измельченной стружки в качестве сырья для получения матричных частиц сплава позволяет избежать добавления каких-либо активаторов процесса высокоэнергетического измельчения, значительно сократить время обработки в мельнице, а также снизить температуру консолидации материала.
Изобретение может быть проиллюстрировано следующими примерами.
Пример 1.
В качестве исходного сырья для обработки в планетарной мельнице (активаторе) использовали:
- стружку матричного сплава АК12М2МгН (Al-12%Si-l,2%Mg-2%Cu-l%Ni-%1Fe-0,4%Мn), полученную на токарном станке из отливки сплава, приготовленной литьем в металлическую изложницу со скоростью охлаждения ~10 К/с.
- частицы оксида алюминия размером 10 +/- 0,8 мкм, которые по данным рентгеновского фазового анализа имели структуру а - Аl2O3.
После достигнутого измельчения, из смеси формировали брикеты холодным двухсторонним прессованием.
Структурное состояние полученного материала оценивали дифрактометрическими методами. В качестве примера в табл. 5 приведены значения Dокр (размер областей когерентного рассеяния) и 
(относительные микронапряжения) в композиционном материале после обработки в планетарной мельнице в течение 120 мин.
Из табл. 5 видно, что в консолидированных образцах композиционных материалов сохраняется дисперсная структура, размер областей когерентного рассеяния возрос только в три раза и близок к 0,1 мкм, что в сочетании с дисперсными частицами оксида алюминия обеспечивает высокий уровень прочностных свойств материалов.
Таблица 5 - Значения Dокр (размер областей когерентного рассеяния) и 
(относительные микронапряжения) в композиционном материале после обработки в планетарной мельнице в течение 120 мин.
Объект исследования | Dокр | ɛ*103 отн. ед |
Гранулы | 40 | 1,86 |
Консолидированный образец | 120 | 1,08 |
Композиционный материал на основе системы Al-12%Si-1,2%Mg-2%Cu-1%Ni-%1Fe-0,5%Mn-Аl2О3 может рассматриваться как материал для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания. Поэтому для данного материала очень важно было оценить влияние как температуры отжига, так и температуры испытания на твердость композиционного материала в сравнении с поведением матричного сплава Al-12%Si-1,2%Mg-2%Cu-1%Ni-%1Fe-0,5%Mn.
Зависимость твердости материалов с разной объемной долей оксида алюминия от температуры часовых отжигов показывает преимущество композиционных материалов перед матричным сплавом (см. табл 6).
Таблица 6 – зависимость среднего размера частиц оксида алюминия от объемной доли и времени обработки в активаторе
Об. Доля Al2O3 % | Средний размер частиц Al2O3 (мкм) | |||
Время обработки, мин | ||||
10 | 16 мин | 28 мин | 60 мин | 120 мин |
8 +/- 0,6 | 9 +/- 0,5 | 10 +/- 1 | 7 +/- 0,4 | |
15 | 9 +/- 0,7 | 8 +/- 0,6 | 8 +/- 0,6 | 5 +/- 0,2 |
20 | 7 +/- 0,8 | 5 +/- 0,3 | 3 +/- 0,5 | 3 +/- 0,2 |
Пример 2.
Второй вариант изобретения осуществляется также как и первый, за исключением того, что оксид алюминия не закладывается в исходную порошковую смесь в виде порошка, а получается в результате самопроизвольного окисления активированного алюминиевого сплава. В качестве исходного сырья для обработки в планетарной мельнице использовали стружку матричного сплава Al-12%Si-1,2%Mg-2%Cu-1%Ni-%1Fe-0,4%Мn, полученную на токарном станке из отливки сплава, полученной литьем в металлическую изложницу со скоростью охлаждения ~10 К/с.
На (рис. 1) показана зависимость количества кислорода, содержащегося в композиционном материале на основе сплава Al-12%Si-1,2%Mg-2%Cu-1%Ni-%1Fe-0,5%Мn (АЛ25) от времени обработки на воздухе. Эту зависимость строили по данным микрорентгеноспектрального анализа. Из (рис. 1) следует, что в процессе обработки в планетарном активаторе в материале может накапливаться до 16 мас. % кислорода. Это примерно соответствует содержанию оксида алюминия 25 об. %. Образующиеся дисперсные частицы оксида способствуют достижению высоких механических свойств.
Рисунок 1. - Зависимость количества кислорода, содержащегося в композиционном материале от времени обработки на воздухе
Из таблиц и чертежей видно, что полученный материал обладает свойствами, очень близкими к тем, что достигаются материалом, изготовленным в соответствии с первым вариантом изобретения.
В работе [5] рассматривается технологии получения композитного материала на основе глины.
Создание эффективных и высокоэкономичных материалов — одна из основных задач современного строительного материаловедения. Наилучшим образом эта задача решается на пути создания композиционных материалов, в которых совместная работа разнородных составляющих дает эффект, равносильный получению нового материала, свойства которого качественно и количественно отличаются от свойств каждого из компонентов.
Одним из таких перспективных композиционных строительных материалов являются композиты, полученные на основе глин.
Актуальность применения композиционных материалов, сочетающих пластичный металлический наполнитель и твердые прочные неметаллические армирующие компоненты, определяются совокупностью физико-механических и эксплуатационных свойств, так как, с одной стороны, пластичный металлический наполнитель позволяет изделию работать в условиях растягивающих и изгибающих напряжений, ударных нагрузок, повышенных температур, а, с другой стороны, жесткий каркас из неметаллических гранул обеспечивает высокую прочность при сжатии.
Вывод: Таким образом, проведенный информационный поиск говорит об актуальности проблемы получения новых, улучшенных свойств металлокерамик, а именно увеличение жаростойкости и крепости кермета. Так же упоминается о создании более эффективных и высокоэкономичных материалах с целью уменьшения энергозатрат на производство, что так же является не маловажной проблемой.
Библиографический список
1. Кислый, П. С. СВЧ электротермические установки лучевого типа/ , , . – Киев.: Наукова думка. 1985. — 272 с
2. Пат. 2394111 РФ, МПК7 Е 01 C 1/05 , Н 20 J 21/00. Кермет и способ его приготовления / ; заявитель и патентообладатель Новосибирск. институт катализа им. Сибирского отделения Российской академии наук. – № 000/02; заявл. 11.12.2008; опубл. 27.04.2007, Бюл. № 23 (II ч.). – 5 с.
3. Пат. 2298045 РФ, МПК7 Е 01 C 1/05 , Н 20 J 21/00. Композиционный материал на основе глинистых масс и металлического наполнителя / . ; заявитель и патентообладатель Белгород. государственный технологический университет им. . – № 000/02 ; заявл. 14.10.2005; опубл. 27.04.2007, Бюл. № 23 (II ч.). – 5 с.
4. Пат. 2202643 РФ, МПК7 Е 01 C 1/05 , Н 20 J 21/00. Способ получения композиционного материала из алюминиевого сплава (его вариант) и композиционный материал / ; заявитель и патентообладатель Москва. государственный институт стали и сплавов. – № 000/02; заявл. 26.09.2001; опубл. 20.04.2003, Бюл. № 23 (II ч.). – 4 с.
5. Лымарь, Е. Н. Новые композиционные материалы на основе каолинитовых и монтмориллонитовых глин // Технические науки - от теории к практике: сб. ст. по матер. XVII междунар. науч.-практ. конф. Часть II. – Новосибирск, 2013. – С. 50-54.
