5.4. Технология дисперсноупрочненного композиционного материала «пластичная алюминиевая матрица – хрупкий алюмооксидный наполнитель» ( материал сап).

Материал САП (спеченная алюминиевая пудра) представляет собой плотную алюминиевую матрицу, армированную равномерно распределенными в ней дисперсными алюмооксидными частицами. Метод получения этого материала был открыт и первоначально разработан в Германии А. фон Цеерлендером и Р. Ирманом в 1949 – 50 гг. В нашей стране основные работы по исследованию технологии и свойств САП пришлись на период времени с 1960 по 1975 гг. Первые публикации И.Н. Фридляндера с сотрудниками приходятся на начало 60–х годов. Технология САП является многостадийной, последовательность технологических операций и их параметры представлены на рис. 5.15.

Операция 1. Алюминиевую пудру для спекания (АПС) получают, распыляя расплав Al и размалывая пульверизат (гранулы 0,3 мм) в шаровой мельнице в среде азота с контролируемым содержанием (О₂) и добавкой стеарина. Этот процесс был подробно рассмотрен ранее, при описании метода «поверхностного окисле-

Производство алюминиевой пудры АПС Брикетирование пудры в гофрированном алюминиевом стакане Штамповка, прокатка, ковка, волочение, экструзия, динамическое прессование полуфабриката Горячее прессование брикета Механическая обработка брикета Дегазация брикета и спекание под давлением (Р) 1 2 3 4 5 6

Технологическая операция

Параметры технологической операции Содержание О2 в азоте – 2-8%об. Добавка стеарина 0,25-1,2%масс. Давление прессования Р=500-850 МПа Нагрев до t=450-500C, заданная изотермическая выдержка, приложение давления Р=500-800МПа в течение 1-3 мин. Обточка на токарном станке на глубину гофра Нагрев до t=500-600С и приложение давления 500-1000МПа. Задаются исходя из требований к конечному изделию

Цель технологической операции Получение исходного сырья (насыпная масса 1,75г/см3) Соединение частиц в брикет с плотностью ~2,5 г/см3 Удаление газов из брикета, увеличение его плотности до 2,65-2,7г/см3 Удаление алюмини-евого гофрированного стакана Получение полуфабриката с однородной структурой и плотностью ~2,8г/см3 Получение изделия: прутки, трубы до 200 мм., профили сечением до 100 см2, листы 900х3000х0,8мм, заклепочная проволока, фольга.

Рис. 5.15. Последовательность и параметры технологических операций при получении САП.

ния» для получения композитного порошка. В результате размола получаются чешуйчатые частицы Al с поверхностной алюмооксидной пленкой, покрытые тонким слоем стеарина. В табл. 5.1. приведены марки материалов САП и соответствующие им марки пудр АПС, выпускаемые отечественной промышленностью. Кроме того, приведены химический состав пудр и продолжительность их измельчения в шаровой мельнице.

Операция 2. Пудру засыпают в гофрированные стаканы из листового Al (толщиной 0,8-1,2 мм), которые устанавливают в матрицу пресс-формы из окалиностойкой стали (рис. 5.16). Ниже приведены некоторые типы размеров гофрированных алюминиевых стаканов, производимых промышленностью ( мм Н, мм соответственно) :123,650; 165,650; 250,1000; 290,1000. Смазку в зазоре между стаканом и матрицей используют во избежание разрушения стакана и его сварки с поверхностью матрицы. При приложении давления прессования стакан деформируется, засыпка пудры уплотняется, а на ее частицах разрываются оксидные пленки и формируются контактные мостики «Al-Al» между соседними частицами (по местам перекрытия разрывов) в результате холодной сварки. Таким образом из засыпки пудры внутри стакана образован брикет из связанных между собой частиц.

Операция 3. Перед спеканием брикет необходимо дегазировать, так как частицы АПС содержат большое количество компонентов, образующих газообразные продукты при нагреве. Если не производить дегазацию, то под воздействием давления выделяющихся газов будет наблюдаться разрушение или вспучивание спекаемого материала. Источниками газовыделения при нагреве являются следующие вещества: а) молекулы N₂, адсорбированные поверхностью частиц на стадии помола, б)

Таблица 5.1.

Марки САП - ов и химический состав алюминиевых пудр для спекания.

Марка материала		САП-1	САП-2	САП-3	САП-4
Марка пудры		АПС-1А, АПС-1Б	АПС-2	АПС-3	АПС-4
Химический сос-тав пудры, % масс.	стеарин	0,25 – 0,4	0,4 – 0,6	0,6 – 0,9	0,9 – 1,2
	Al2O3	6 – 8	9 – 12	13 – 17	18 – 23
Продолжительность измельчения пудры, ч.		24	30 – 33	40	60

Таблица 5.2.

Количественный состав газов, экстрагированных из пудры АПС при нагреве.

Содержание Al2O3 в алюминиевой пудре, % масс.	Температура экстракции, С	Состав газа, % об.					Общий объем газа, см3/г.
		Н2О (пар)	Н2	СО	СН4	N2
13	170	100	-	-	-	-	6,16
4		100	-	-	-	-	2,14
13	450	1,48	76,5	18,0	1,7	2,32	12,2
4		-	67,0	30,9	2,1	-	2,86

Рис. 5.16. Схематическое изображение процесса брикетирования АПС.

1 – основание пресс-формы;

2 – матрица;

3 – пуансон;

4 – гофрированный стакан с алюминиевой пудрой

5 – смазка (смесь жидкого стекла с порошком графита в соотношении 2:1);

Р – направление приложения давления прессования.

Al₂O₃3H₂O – кристаллогидрат, который всегда образуется на поверхности частиц, вследствие высокой гигроскопичности Al₂O₃, в) С – углерод, входящий в состав стеарина.

Дегазацию проводят путем нагрева брикета на воздухе до 450 - 500С с необходимой изотермической выдержкой, обеспечивающей полное удаление газов. При этом, имеют место следующие реакции газообразования:

1)

2)

3)

4)

5) N₂ (газ) – продукт десорбции с поверхности частиц АПС.

Первая реакция происходит в результате взаимодействия алюминия с кристаллизационной водой, входящей в состав кристаллогидрата Al₂O₃3H₂O, вторая – в результате термического разложения этого соединения, третья и четвертая - вследствие взаимодействия углерода, содержащегося в стеарине, с водородом (продуктом реакции 1) и кислородом воздуха соответственно. Пятая реакция иллюстрирует процесс отрыва адсорбированных молекул азота с поверхности частиц порошка вследствие их возросшей кинетической энергии при нагреве.

Методом вакуумной экстракции проведен количественный анализ газов, выделяющихся из алюминиевой пудры АПС с содержанием алюмооксидной фазы (4 и 13% масс) (табл. 5.2). Из приведенных данных видно, что количество выделяющихся газов значительно, что подтверждает необходимость дегазации брикета перед спеканием.

Таким образом, только после завершения дегазации к брикету прикладывают давление и проводят спекание под давлением. Иногда эту операцию называют «подпрессовка». В этом случае происходит дополнительное разрушение оксидных пленок на частицах АПС и увеличение поверхности контакта по металлической фазе «Al-Al», интенсифицируются диффузионные процессы, приводящие к упрочнению образовавшихся металлических контактных мостиков.

Операция 4. Механическую обработку брикета (обточка и торцовка) проводят на токарном станке для удаления деформированного и внедрившегося в поверхность брикета Al-стакана.

Операция 5. После механической обработки брикет вновь устанавливают в пресс-форму и проводят его горячее прессование при температуре и давлении, превышающими таковые, используемые при подпрессовке (операция 3). Горячее прессование приводит к значительному уплотнению материала. Однако, степень его деформации, при этом, должна составлять 50-70% от предельно возможной с тем, чтобы иметь резерв по дополнительному уплотнению полученного полуфабриката при выполнении следующей операции № 6.

Операция 6. Данная операция является заключительной, в результате ее реализации из полуфабриката получают конкретное изделие. Для этого его подвергают обработке давлением путем штамповки, прокатки, волочения, экструзии, динамического прессования, а также возможно применение комбинации этих методов. В этом случае происходит дополнительное уплотнение материала вследствие значительной пластической деформации алюминиевой матрицы. При этом, алюмооксидные пленки, содержащиеся на поверхности чешуйчатых частиц, разрываются и дробятся, представляя собой дисперсные включения алюмооксидной фазы в плотной алюминиевой матрице.

Рассмотрим процесс обработки давлением полуфабриката путем его прокатки для получения листового изделия из материала САП. (рис.5.17). Прокатываемый полуфабрикат (2) подают в зазор между вращающимися валками (1) прокатного стана. Величина этого зазора определяет степень обжатия при прокатке (h₁/h₂ – отношение толщины полуфабриката до и после прокатки). Материал при обжатии в зазоре между валками подвергается пластическому течению под воздействием возникающих сдвиговых напряжений. Их действие является причиной разрыва и диспергирования алюмооксидных пленок в алюминиевой матрице. Прокатку чаще всего проводят с нагревом (250-500⁰С) при постепенном уменьшении зазора между валками и приложенного усилия при каждом последующем проходе полуфабриката (это так называемая горячая прокатка по ступенчатому режиму). Этим предупреждается возникновение в изделии дефектов при прокатке – трещин и поводок.

Следует отметить, что основным достоинством материала САП является сохранение достаточно высокой прочности (благодаря эффекту дисперсионного упрочнения) при нагреве до температуры, близкой к температуре плавления алюминия (500⁰С), а также его высокая коррозионная стойкость при малой плотности (легкий материал). Благодаря этому он применяется вместо нержавеющих сталей и титановых сплавов для малонагруженных конструкций, работающих в интервале температур 250⁰ – 500⁰С. Кроме того, вследствие хорошей способности поглощать нейтроны

и высокой теплопроводности, САП нашел применение в качестве экранов в атомных реакторах.