Способ получения многослойных композиционных изделий

Способ получения многослойных композиционных изделий

Реферат

 

Область применения: получение твердосплавных изделий методом СВС. Сущность изобретения: на поверхность подложки наносят последовательно слой припоя толщиной 2 - 10 мм, слой флюса в количестве 0,1-0,25 г/см² подложки и экзотермическую смесь, состоящую из порошков металла IV - KI групп, или углерода, металлической связки, осуществляют реакцию СВЧ через 0,1 - 20 с после окончания реакции, ее продукты подвергают горячей деформации под давлением 500-2000 кг/мм² в течение 1 - 200 с. В экзотермическую смесь возможно введение 2 - 20 мас.% порошка искусственного алмаза, а также выполнение на подложке перед нанесением слоев каналов глубиной и шириной 1 - 5 мм в количестве, при котором отношение площадей поверхности подложки с каналами к поверхности подложки без каналов соответствует 1,3 - 2,0. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения изделий из твердосплавных материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Изобретение может быть использовано в химической, станкоинструментальной промышленности, машиностроении, металлургии. Известен способ получения изделий, включающий предварительное прессование заготовки из исходной шихты, приложение к ней давления, инициирование реакции горения, выдержку под давлением в течение 160 с, горячее деформирование и изобарическую выдержку в течение 1-360 с. Недостатком такого способа является низкая ударная вязкость получаемых изделий. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ получения многослойных композиционных изделий, включающий приготовление экзотермической смеси порошков, нанесение ее на поверхность металлической подложки, инициирование реакции горения в смеси, проведение реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и сплавление продуктов синтеза с подложкой. Недостатком такого способа является высокая пористость продуктов синтеза и вследствие этого их невысокая износостойкость. Целью изобретения является повышение ударной вязкости и износостойкости изделий. Поставленная цель достигается тем, что в способе получения многослойных композиционных изделий, включающем приготовление экзотермической шихты порошков металла IV-VI группы Периодической системы элементов и по крайней мере одного неметалла из группы углерод, бор и металлической связки, нанесение шихты на поверхность металлической подложки, инициирование реакции горения, проведение реакции СВС и сплавление продуктов синтеза с подложкой, между шихтой и подложкой дополнительно размещают слой припоя толщиной 2-10 мм, а между слоем припоя и подложкой слой флюса в количестве 0,1-0,25 г/см² площади поверхности подложки, после окончания реакции горения спустя 0,1-20 с проводят горячее деформирование продуктов синтеза с последующей выдержкой под давлением 500-2000 кгс/см² в течение 1-200 с. Также в экзотермическую смесь дополнительно вводят порошок алмаза в количестве 2-20 мас.%, а в подложке выполняют каналы с глубиной и шириной 1-5 мм при соотношении суммарной площади поверхности подложки к плоской поверхности с равными габаритными размерами 1,3-2,0. Необходимость и целесообразность такой организации процесса синтеза обусловлены спецификой процессов, протекающих при синтезе многослойных композиционных материалов. Пpоцессы, протекающие при синтезе, обусловлены совокупностью известных технологических методов, объединенных в одну стадию. К таким технологическим методам относятся проведение СВС, компактирование и пайка. Сущность процессов, протекающих при синтезе, заключается в следующем: после инициирования реакционного слоя шихты (или нескольких реакционных слоев) по заготовке пробегает фронт горения, что сопровождается большим тепловыделением и саморазогревом, приводящим к нагреву и расплавлению припоя с флюсом и к разогреву подложки. После окончания процесса горения спустя 0,1-20 с, в зависимости от скорости горения используемой шихты, к заготовке прикладывают внешнее давление (например, с помощью гидравлического пресса) и происходит уплотнение продуктов синтеза. Экспериментально показано, что это давление для различных материалов должно составлять 500-2000 кгс/см². Расплавленный припой диффундирует в подложку и компактный продукт синтеза перемешивается с двумя разнородными материалами, понижает температуру плавления в месте их контакта и обеспечивает их взаимную диффузию, которая также интенсифицируется внешним давлением. Последующее охлаждение под более низким давлением 50-200 кгс/см² (по сравнению с давлением компактирования) до температуры затвердевания спая обеспечивает хорошее качество шва и сохранность твердосплавной части изделия. Основное требование к припоям (которые могут быть использованы как в виде порошков, так и в виде фольги) - это способность создавать в процессе пайки с разнородными материалами легкоплавкие эвтектики. Наличие флюса позволяет очистить поверхность приплавляемых материалов от окисных пленок и обеспечивает максимальную площадь контакта разнородных материалов. С этой же целью (увеличение площади контакта) в подложке выполняют каналы глубиной и шириной 1-5 мм, что способствует повышению прочности спая. Одним из условий приплавления является повышение температуры подложки до температур, превышающих температуру плавления припоя. В случае же массивной подложки, когда тепловыделение от реакционной смеси недостаточно для достижения необходимой температуры, целесообразно использовать подогрев подложки от дополнительной разогревающей экзотермической смеси, который контактирует с подложкой. С целью повышения износостойкости твердосплавной части изделий в экзотермическую смесь вводят порошок алмаза. Исследования показали, что алмаз после синтеза и охлаждения изделия полностью сохраняет свои свойства, а не переходит в графит. Заметное влияние на износостойкость начинает проявляться при введении алмаза в шихту свыше 2 мас.%. Введение алмазного порошка свыше 20 мас.% сильно понижает скорость и температуру горения, что вызывает повышение пористости износостойкой части и снижение ее износостойкости. П р и м е р 1. Получение пуансонов для высадки колец. Предварительно перемешанную в шаровой мельнице шихтовую смесь состава (Ti + 2B) + 20% Fe весом 300 г прессуют в цилиндрические брикеты диаметром 80 мм до относительной плотности 0,6, которые затем устанавливают на подложку того же диаметра из стали 45 и весом 180 г. Между шихтовым брикетом и стальной подложкой размещают слой флюса марки Ф100 и слой порошкового припоя марки П102. Состав флюса: бура 35% + окись кобальта 3% + окись вольфрама 15% + фтороборат калия (остальное). Количество флюса, приходящееся на 1 см² площади подложки, составляет 0,2 г. Состав припоя: 84% Cu + 2%Ni + 4%Fe + 10% Zn. Толщина слоя припоя в спрессованном до плотности 0,7 состоянии составляет 3 мм. Многослойную заготовку помещают в реакционную пресс-форму, где проводят инициирование и горение реакционной смеси. Перед синтезом собранную реакционную пресс-форму устанавливают на рабочий стол пресса, где после сгорания реакционной шихты осуществляют компактирование продуктов синтеза. Давление компактирования 800 кгс/см², время задержки компактирования - 3 с, время выдержки под этим давлением - 20 с. После чего давление снимают, разбирают пресс-форму и извлекают изделие, которое затем помещаю в печь и медленно охлаждают вместе с ней. Полученное изделие обладало следующими свойствами: потеря веса при абразивном износе 0,005 г, ударная вязкость 2 кгс м/см². Испытания на износ проводились на машине трения УМТ-1. Ударная вязкость определялась на копре МК-15 для образцов с размерами 10х10х70 мм. При испытаниях на износ определяли потерю массы исследуемых образцов с размерами 13х13х5 мм при трении опорной плоскости об абразивную шкурку в течение 10 мин. П р и м е р 2. Получение пуансона для высадки. Синтез проводился в условиях примера 1. Толщина слоя припоя 2 мм. Количество флюса 0,1 г/см². Давление компактирования 500 кгс см². Время задержки 0,1 с. Выдержка под давлением 1 с. Полученное изделие обладало следующими свойствами: ударная вязкость 1 кгс м/см², износ рабочей поверхности 0,005 г (см. табл.1). П р и м е р 3. Получение в условиях примера 1 пуансона для высадки. Толщина слоя припоя 10 см. Давление компактирования 2000 кгc/см². Время задержки 20 с. Количество флюса 0,25 г/см². Время выдержки под давлением 200 с. Полученное изделие обладало следующими свойствами: ударная вязкость 0,9 кгсм/см², износ 0,005 г. П р и м е р 4. В условиях примера 1. Толщина слоя припоя 1 мм. Количество флюса 0,05 г/см². Давление компактирований 300 кгс/см². Время задержки 0,05 с. Время выдержки под давлением 0,5 с. В результате проведения процесса синтеза при данных параметрах соединения твердосплавного слоя с подложкой не произошло. Причиной является недостаточное проплавление подложки в результате выхода параметров проведения синтеза за пределы, заявляемые в формуле изобретения. П р и м е р 5. В условиях примера 1. Толщина слоя припоя 12 мм. Количество флюса 0,3 г/см². Давление компактирования 2500 кгс/см². Время задержки 22 с. Время выдержки под давлением 220 с. В результате проведения процесса синтеза при данных параметрах пайки не произошло. Причиной является несоответствие параметров проведения синтеза пределам, предлагаемым в формуле изобретения. П р и м е р 6. Получение в условиях примера пуансона для высадки. Для составления исходной заготовки для синтеза использовалась предварительно перемешанная и спресованная до относительной плотности 0,6 шихтовая смесь весом 300 г состава (Ti + 2B) + 20% Fe и диаметром 80 мм, которая затем устанавливалась на подложку из стали 45 того же диаметра весом 180 г. После этого проводилось инициирование реакционного слоя. После сгорания шихтовой смеси и охлаждения образца оказалось, что между слоями произошло сцепление, однако невысокая прочность соединения обусловила низкие физико-механические свойства (см. табл.). Причина - несоответствие параметров проведения процесса параметрам, предлагаемым в формуле изобретения. П р и м е р 7. Получение в условиях примера 1 пуансона для высадки диаметром 90 мм и высотой 25 мм. В качестве подложки использовалась цилиндрическая заготовка того же диаметра весом 500 г из стали 45. На подложку размещали шихтовую смесь состава (Ti + C) + 20% Ni весом 300 г, спресованную в цилиндрический брикет диаметром 90 мм до относительной плотности 0,6. Между шихтовым брикетом и подложкой располагали флюс Ф100 в количестве 0,2 г и слой припоя П102 толщиной 5 мм. С противоположной стороны подложки с целью дополнительного подогрева подложки располагали подогревающую смесь состава +2 весом 180 г, спресованную в брикет диаметром 90 мм до относительной плотности 0,6. Многослойную заготовку помещали в реакционную пресс-форму, где проводили синтез при следующих параметрах процесса: давление компактирования - 1000 кгс/см², время задержки - 3,0 с, время выдержки под давлением - 20 с. Полученное изделие обладало следующими свойствами: ударная вязкость - 2,5 кгсм/см², износ составил 0,006 г. П р и м е р 8. Получение в условиях примера 7 пуансона для высадки диаметром 100 мм и высотой 10 мм. В качестве подложки использовался титановый сплав ВТ-3 весом 200 г. Напаиваемый слой состава (Ti + 2B) + 60% Ti весом 150 г. Флюс в количестве 0,2 г/см², припой марки ВПр 16 состава 22% Cu + 10% Ni + 13% Zr + 55% Ti толщиной 4 мм. Дополнительно разогревающую смесь весом 150 г располагали с противоположной стороны подложки. Параметры процесса синтеза: давление компактирования 800 кгс/см², время задержки 3 с, время выдержки 30 с. Полученное изделие обладало следующими свойствами: ударная вязкость 2 кгс м/см², износ рабочей поверхности 0,0065 г. П р и м е р 9. Получение в условиях примера 1 пуансона для высадки диаметром 80 мм и высотой 12 мм. В качестве подложки использовалась пластина из алюминиевого сплава АМГ-6 весом 200 г. Напаиваемый слой состава (Ti + 2B) + 60% Ti весом 150 г. Флюс в количестве 0,2 г/см². Припой состава 60% Zn + 40% Cd толщиной 6 мм. Параметры процесса синтеза: давление компактирования 600 кгс/см², время задержки 3 с, время выдержки 10 с. Полученное изделие обладало следующими свойствами: ударная вязкость 2,2 кгсм/см², износ рабочей поверхности 0,0065 г. Исходные данные и результаты испытаний для примеров 1-9 сведены в табл. 1. П р и м е р 10. Получение в условиях примера 1 пуансона для высадки диаметром 80 мм и высотой 12 мм. В шихтовую реакционную смесь (Ti + 2B) + 20% Fe добавляли 5 мас.% алмазного шлифпорошка дисперсностью 160-300 мкм. Полученное изделие обладало следующими свойствами: ударная вязкость 2 кгсм/см², износ 0,0035 г. П р и м е р 11. Получение в условиях примера 10 пуансона для высадки диаметром 80 мм и высотой 12 мм. Доля алмазного шлифпорошка в шихтовой смеси 2 мас.%. Полученное изделие обладало следующими свойствами: ударная вязкость 2 кгс м/см², износ 0,0045 г. П р и м е р 12. Получение в условиях примера 10 пуансона для высадки диаметром 80 мм и высотой 12 мм. Доля алмазного порошка в шихтовой смеси 20 мас.%. При этом время задержки берут равным 9 с. Полученное изделие обладало следующими свойствами: ударная вязкость 1,8 кгс м/см², износ 0,0028 г. П р и м е р 13. Получение в условиях примера 10 пуансона для высадки диаметром 80 мм и высотой 12 мм. Доля алмазного порошка в шихтовой смеси 0,5 мас.%. Время задержки 3 с. Полученное изделие обладало следующими свойствами: ударная вязкость 2 кгс м/см², износ 0,005 г. П р и м е р 14. Получение в условиях примера 10 пуансона для высадки диаметром 80 мм и высотой 12 мм. Доля алмазного порошка в шихтовой смеси 22 мас. % . Время задержки берут равным 10 с. Полученное изделие обладало следующими свойствами: ударная вязкость 0,8 кгс м/см², износ 0,1 г. Исходные данные и результаты испытаний для примеров 10-14 сведены в табл.2. П р и м е р 15. Получение в условиях примера 1 пуансона для высадки диаметром 80 мм и высотой 12 мм. На опорной плоскости подложки, контактирующей с шихтовым составом, выполняют каналы глубиной и шириной 3 мм при отношении площади поверхности подложки с каналами к плоской поверхности аналогичной подложки (К_s) = 1,6. Приготовление заготовки для синтеза и синтез проводят в условиях примера 1. Полученное изделие обладало следующими свойствами: ударная вязкость 2,3 кгс м/см², износ 0,005 г. П р и м е р 16. Получение в условиях примера 15 пуансона для высадки диаметром 80 мм и высотой 12 мм. Глубина и ширина каналов 1 мм, а К_s = 1,3. Синтез проводят в условиях примера 15. Полученное изделие обладало следующими свойствами: ударная вязкость 2,05 кгс м/см², износ 0,005 г. П р и м е р 17. Получение в условиях примера 15 пуансона для высадки диаметром 80 мм и высотой 12 мм. Глубина и ширина каналов - 5 мм при Кs = 2. Синтез проводят в условиях примера 15. Полученное изделие обладало следующими свойствами: ударная вязкость 2,1 кгс м/см², износ 0,005 г. П р и м е р 18. Получение в условиях примера 15 пуансона для высадки диаметром 80 мм и высотой 12 мм. Глубина и ширина каналов 0,5 мм при К_s = 1,2. Полученное изделие обладало следующими свойствами: ударная вязкость 2 кгс м/см², износ 0,005 г. П р и м е р 19. Получение в условиях примера 15 пуансона для высадки диаметром 80 мм и высотой 12 мм. Глубина и ширина каналов 7 мм при К_s = 2,2. Полученное изделие обладало следующими свойствами: ударная вязкость 1,3 кгс м/см², износ 0,005 г. Исходные данные и результаты испытаний для примеров 15-19 сведены в табл.3. Использование предлагаемого способа позволило осуществить техническое решение по созданию многослойных композиционных изделий, сочетающих в себе высокую износостойкость и ударную вязкость.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ, включающий приготовление экзотермической смеси из порошков металла IV - VI групп Периодической системы элементов, по крайней мере одного неметалла из группы углерода, бора и металлической связки, нанесение шихты на поверхность металлической подложки, проведение реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, отличающийся тем, что, с целью повышения ударной вязкости и износостойкости, перед нанесением шихты на поверхность подложки помещают слой припоя толщиной 2-10 мм, а на слое припоя размещают слой флюса в количестве 0,1-0,25 г/см² подложки, а через 0,1-20 с после окончания синтеза проводят горячее деформирование продуктов синтеза под давлением 500-2000 кгс/мм² в течение 1-200 с. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в экзотермическую смесь дополнительно вводят порошок искусственного алмаза в количестве 2-20 мас.%. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на подложке выполняют каналы глубиной и шириной 1-5 мм в количестве, при котором отношение площадей поверхности подложки с каналами к поверхности подложки без каналов соответствует 1,3-2,0.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 15.11.2004

Извещение опубликовано: 20.11.2005        БИ: 32/2005