Спосіб одержання пористого матеріалу

Винахід відноситься до порошкової металургії, а саме, до способів отримання полегшених пористих матеріалів з високими міцнісними властивостями. Відомо про спосіб отримання матеріалу для виготовлення виробів з пористими структурами із скляних мікрошариків, згідно з яким маса для формування виробів складається з різних по діаметру скляних мікрошариків і тимчасової зв'язки, яка вигоряє при проходженні зони попереднього нагрівання (при температурі на 100...150°С нижче температури спікання). Далі, при потраплянні до зони спікання, скляні мікрошарики сплавляються між собою в місцях дотику [Устройство для изготовления изделий с пористыми структурами из стеклянных микрошариков: А.с. 1433915 СССР, МКИ С03В19/08. / В.И. Благов, В.И. Екатеринчук, Л.Я. Свиридов (СССР). - №4177489/29-33; Заявл. 07.01.87; Опубл. 30.10.88, Бюл. №40. - 5с.]. Однак використання цього способу може привести до нерівномірності розподілу пористості по об'єму виробу через труднощі отримання однорідної маси при змішуванні мікрошариків та тимчасової зв'язки, що знижує міцнісні властивості. Підвищення міцнісних властивостей досягається при рівномірному розподілі зачинених пор по об'єму матеріалу, що досягається через введення перед пресуванням у формувальну суміш порожніх мікросфер з оксиду алюмінію або вуглецю у кількості 6...25% та їх змішуванням з порошком нікелю у обертовому млині [А.с. 1687374 МКИ B22F3/10, С22С1/08. Способ получения демпфирующего материала на основе никеля / В.И. Костиков, В.Ю. Лопатин, С.В. Винокуров, А.А. Таранцев, В.Н. Постников и В.Г. Чернов. - №4655292/02; Заявл. 27.02.89; Опубл. 30.10.91; Бюл. №40 - 2с.]. Однак цей спосіб оснований на спіканні порошку нікелю та порожніх мікросфер з вуглецю або АІ 2О3 у атмосфері водню та підвищеному діапазоні температур (840...1150°С), що ускладнює технологію, підвищує енергоємність процесу. Крім того, порожні мікросфери з вуглецю або АІ2О 3 характеризуються підвищеною об'ємною щільністю (600...900кг/м 3). За прототип обрано спосіб отримання пористого композиційного матеріалу - синтактичного піноскла, який заключається в спіканні порожніх скляних мікросфер (ПСМ) без зв'язуючих компонентів у окислювальній атмосфері [Казимиренко Ю.А. Особенности процесса спекания полых стеклянных микросфер при различных условиях / 3б. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2001. - №6 (378). - С.109119]. Цей спосіб включає засипку ПСМ діаметром 20...10мкм без зв'язуючих компонентів у прес-форму, яка розміщується у робочому просторі шахтної або муфельної печі; нагрівання до температури, величина якої відповідає половині значення температури спікання; прикладення тиску пресування (0,2...1,2МПа); подальше нагрівання до температури спікання і витримку при цій температурі протягом 10...30хв. Зняття тиску пресування призводиться після остигання робочого простору печі. Однак цей спосіб передбачає отримання матеріалу з великим процентом відкритих пор (до 8...35%) та низькими властивостями міцності (межа міцності при осьовому стисканні до 3...5МПа), що не дозволяє виготовляти з цього матеріалу деталі, які працюють в умовах осьового навантаження та роботі на зношення. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу отримання пористого матеріалу на основі ПСМ, в якому при додаванні у формувальну суміш порошку металу поряд зі збереженням зачиненої пористості всередині мікросфер при рівномірному їх розподілі досягається підвищення міцнісних властивостей, при цьому зберігається спрощена технологія отримання матеріалу (діапазон технологічних параметрів, окислювальна атмосфера). Поставлена задача вирішується тим, що в способі отримання пористого матеріалу, який включає приготування формувальної суміші, засипку її у прес-форму, що розташовується у просторі шахтної або муфельної печі з окислювальною атмосферою; нагрівання до температури, величина якої відповідає половині значення температури спікання; прикладання тиску пресування; підйом температури до значення температури спікання; витримку при цій температурі та зняття тиску пресування після остигання робочого простору печи, згідно з винаходом у формувальну суміш додають порошок металу у кількості 25...40% по об'єму, а після прикладення тиску пресування формувальну суміш ви тримують протягом 30хв. при температурі, величина якої відповідає половині значення температури спікання. Добавляння у формувальну суміш порошку металу дисперсністю 40...100мкм, що є близькою до дисперсності ПСМ, призводить до підвищення межі міцності при осьову стисканні у 3...10 раз, а об'ємний зміст порошку металу у межі 25...40% дозволяє зберегти рівномірний розподіл та зачинену пористість всередині мікросфер (до 60%). Введення додаткового прогрівання протягом 30хв. спрямовано на рівномірне зниження в'язкості формувальної суміші, яка спікається. Зміцнення матеріалу здійснюється в результаті введення в формувальну суміш порошку металу. При підвищенні температури та часу зменшується об'єм відкритих пор між порошками металу та ПСМ, що відбувається в результаті розм'якшення, більш легкоплавкого компоненту у складі скла мікросфер, який має саму низьку температуру склування (близько 500°С). Протягом нагрівання процес розм'якшення буде розвиватися, кількість пом'якшеного скла збільшуватися; при цьому знижується в'язкість формувальної суміші, що спікається. Вибір об'ємного змісту та дисперсності порошку металу оснований на об'ємі відкритої пористості, яка створюється при компактній упаковці мікросфер діаметром 20...100мкм. Відбувається збільшення площадки контакту між ПСМ та порошком металу, величина якої досягає 50...55мкм на відміну від прототипу, в якому площадка контакту між мікросферами складає 10...18мкм, межа міцності при осьовому стисканні зростає у 3...10 разів. Підвищення температури спікання та тиску пресування більш ніж визначена межа призводить до руйнування ПСМ. При отриманні матеріалу були використані ПСМ фракцією 20...100мкм наступного хімічного складу, мас.%: SiO2 69,0; В2О3 7,5; СаО 6,0; Na 2O 13,5; ZnO 2,0; F 2,0; а як порошок металу були використані бронза, бабіт та алюмінієва пудра. Перевага використання порошку бронзи полягає у тому, що при спіканні з ПСМ площадка контакту досягає більшого значення (до 55мкм) порівняно з використанням порошку бабіту та алюмінієвої пудри. Внаслідок цього збільшується щільність, а поряд з цим і міцність матеріалу. Спосіб отримання пористого матеріалу здійснюють наступним чином. Готують формувальну суміш із ПСМ та порошку металу дисперсністю 40...100мкм з об'ємним змістом 25...40%, наприклад, бронзи, бабіту або алюмінієвої пудри. Експериментальні дослідження проводилися у графітових прес-формах діаметром 22мм та висотою 47мм. Маса формувальної суміші склала: для суміші ПСМ з порошком бронзи - 16,59г; для суміші ПСМ з порошком бабіту - 9,32г; для суміші ПСМ з алюмінієвою пудрою - 6,87г. Формувальну суміш засипають у прес-форму, далі разом з прес-формою розташовують у робочому просторі шахтної або муфельної печі, де виконують спікання в окислювальній атмосфері. По досяганні температури, величина якої відповідає половині значення температури спікання, наприклад 375°С, прикладають тиск навантаження 0,2...1,2МПа та витримують при цій температурі протягом 30хв,, що визначається на підставі коефіцієнту температуропроводності та маси формувальної суміші. В результаті утворюються умови для прогрівання формувальної суміші. Потім підвищують температуру до 600...800°С, що відповідає температурі спікання, та витримують при цій температурі протягом 10...30хв. При цьому скло мікросфер розм'якшується та припікається до порошку металу, утворюється площадка контакту між частками до 50...55мкм, що значно підвищує міцність матеріалу. Швидкість підйому температури повинна бути постійною та відповідати 15град./хв. При такій швидкості спостерігалися більш стабільні значення показників міцності та якості отриманих зразків. Після припинення нагрівання та повного остигання печі тиск пресування знімають. На підставі отриманих значень видно, що найбільшу міцність мають зразки, які отримані в результаті спікання ПСМ з порошкам бронзи, межа міцності при осьовому стисканні яких складає 50МПа при щільності 870кг/м 3, а процент відкритих пор - 6%. За показниками міцності уступають зразки матеріалу, отриманого в результаті спікання ПСМ з порошками бабіту та алюмінієвої пудри, межа міцності при осьовому стисканні яких складає відповідно 15МПа та 10МПа при щільності 870кг/м 3 та 780кг/м 3, а процент відкритих пор досягає 22% та 26%. Використання способу, що пропонується, є ефективним при отриманні пористих порошкових матеріалів з переважно закритою пористістю. При цьому способі отримання пористого матеріалу поряд з рівномірним розташуванням пор за розмірами та спрощеною технологією досягається підвищення характеристик міцності у 3...10 разів на відміну від прототипу. Пористі порошкові матеріали, які наповнені порожніми мікросферами зі скла, є перспективними для використання в авіа-, судо-, та машинобудуванні через поєднання легкості з високими властивостями міцності.