RU2153957C2 - Process for making porous semifinished products of powdered aluminium alloys - Google Patents

Abstract

FIELD: powder metallurgy processes in building, aircraft making, transport vehicle manufacture and so on. SUBSTANCE: method comprises steps of mixing powdered aluminium alloy with blowing agent; pouring prepared mixture to reservoir; cold pressing it with subsequent heating of compact blank until temperature lower than that of obtaining the most easy-to-melt eutectic of blank material by 10-20 C; hot deformation for making compact blank to be disintegrated to particles of different shape and size; filling the whole volume of press-mold by such particles before high temperature heat treatment. EFFECT: enlarged assortment of products, less loss of yield, enhanced operating efficiency. 10 cl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано в строительстве, автомобилестроении и т.п., там, где необходимо сочетание таких свойств как легкость, негорючесть, хорошая тепловая и звуковая защита, плавучесть и т.д. The invention relates to the field of powder metallurgy and can be used in construction, automotive, etc., where a combination of such properties as lightness, incombustibility, good thermal and sound protection, buoyancy, etc.

Известен способ получения пористых изделий из порошков сплавов на основе меди и алюминия, включающий смешивание порошка сплава с порофором, засыпку полученной смеси в разборную емкость, нагрев с одновременным приложением давления, при котором не происходит разложения порофора, охлаждение с одновременным снятием давления, разборку емкости с последующим выталкиванием из нее полученной плотной заготовки, которую сразу термообрабатывают для получения в ней пористости (патент ФРГ N 4101630, B 22 F 3/18, 1991 г.). A known method of producing porous products from powders of alloys based on copper and aluminum, including mixing the alloy powder with porophore, filling the mixture into a collapsible container, heating with the simultaneous application of pressure at which porophore does not decompose, cooling while relieving pressure, disassembling the container with subsequent pushing out of it the obtained dense preform, which is immediately heat treated to obtain porosity in it (German patent N 4101630, B 22 F 3/18, 1991).

Недостатком этого способа является узкая номенклатура получаемых полуфабрикатов как по размеру, так и по форме из-за ограниченности получения плотной заготовки различной формы и размеров; низкая производительность способа из-за длительности процесса спекания порошковой массы под давлением. При получении изделий больших размеров время спекания возрастает в геометрической прогрессии и приводит к резкому увеличению энергозатрат. The disadvantage of this method is the narrow nomenclature of the obtained semi-finished products both in size and in shape due to the limitations of obtaining a dense workpiece of various shapes and sizes; low productivity of the method due to the duration of the sintering process of the powder mass under pressure. Upon receipt of large-sized products, the sintering time increases exponentially and leads to a sharp increase in energy consumption.

Известен способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков алюминиевых сплавов с порофорами, температура разложения которых выше температуры солидуса-ликвидуса порошка алюминиевого сплава. Полученную смесь засыпают в неразборную емкость, нагревают до температуры ниже температуры солидуса порошка алюминиевого сплава и прессуют при этой температуре в плотную заготовку, которую затем подвергают горячему деформированию, охлаждают, помещают в форму из материала, химически не взаимодействующего с материалом заготовки, сохраняющую геометрию и размеры при температуре термообработки. Размещенную в форме заготовку термообрабатывают (RU, патент N 2085339, В 22 F, 3/11, 3/18, 1997 г.), прототип. A known method of producing porous semi-finished products from powders of aluminum alloys, comprising mixing powders of aluminum alloys with porophores, the decomposition temperature of which is higher than the solidus-liquidus temperature of the aluminum alloy powder. The resulting mixture is poured into a non-separable container, heated to a temperature below the solidus temperature of the aluminum alloy powder and pressed at this temperature into a dense workpiece, which is then subjected to hot deformation, cooled, placed in a mold made of a material that does not chemically interact with the workpiece material, preserving geometry and dimensions at heat treatment temperature. The preform placed in the mold is heat treated (RU, patent N 2085339, B 22 F, 3/11, 3/18, 1997), prototype.

Недостатком этого способа является ограниченная номенклатура получаемых готовых пористых изделий из-за незначительной пластичности заготовок, низкий выход годного из-за неравномерной плотности по всему объему изделия, а также невысокая производительность процесса из-за больших затрат времени на получение плотной заготовки. The disadvantage of this method is the limited range of finished porous products due to the low plasticity of the workpieces, low yield due to uneven density over the entire volume of the product, as well as the low productivity of the process due to the large time required to obtain a dense workpiece.

Предлагаемый способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов включает смешивание порошков алюминиевого сплава с порофором, засыпку получаемой смеси в емкость, холодное прессование с последующим нагревом плотной заготовки до температуры на 10-20^oC ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтетики материала заготовки, затем ведут горячую деформацию с получением проволоки, которую перерабатывает на частицы различной формы и размеров и перед высокотемпературной термообработкой частицами заполняют частично или полностью объем формы. Засыпку в емкость возможно вести послойно по смесям частиц проволоки различного химического состава, а также проволоку перед переработкой на частицы можно перфорировать.The proposed method for the preparation of porous semi-finished products from aluminum alloy powders involves mixing aluminum alloy powders with porophore, filling the resulting mixture into a container, cold pressing, followed by heating the dense preform to a temperature of 10-20 ^o C below the temperature of formation of the most low-melting euthetics of the preform material, then hot deformation to produce wire, which is processed into particles of various shapes and sizes and is filled with parts before high-temperature heat treatment by particles completely or completely the volume of the form. It is possible to fill in the tank layer by layer along mixtures of wire particles of various chemical composition, and also the wire can be perforated before processing into particles.

Отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что после засыпки смеси порошков в емкость ведут холодное прессование, затем плотную заготовку нагревают до температуры на 10-20^oC ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтетики материала заготовки, затем ведут горячую деформацию с получением проволоки, которую перерабатывают на частицы различной формы и размеров и перед высокотемпературной термообработкой частицами заполняют частично или полностью объем формы.The difference between the proposed method and the prototype is that after filling the mixture of powders into the container, cold pressing is carried out, then the dense workpiece is heated to a temperature of 10-20 ^o C below the temperature of formation of the most low-melting eutetics of the workpiece material, then hot deformation is carried out to obtain a wire that they are processed into particles of various shapes and sizes and, before high-temperature heat treatment, particles partially or completely fill the mold volume.

Засыпку в емкость возможно вести послойно смесями частиц проволоки различного химического состава, а также проволоку перед переработкой на частицы можно перфорировать. It is possible to fill in the tank layer by layer with mixtures of wire particles of different chemical composition, and also the wire can be perforated before processing into particles.

Техническим результатом является расширение номенклатуры получаемых изделий, повышение выхода годного и производительности труда. The technical result is the expansion of the range of products obtained, increase yield and labor productivity.

Предлагаемый способ позволяет получить перед нагревом под деформацию заготовку с плотностью 75-85% отн. , т.е. повысить плотность нагреваемой заготовки на 20-25% отн. по сравнению с известным способом, за счет частичного разрушения окисных пленок, окружающих частицы алюминиевого порошка при холодном прессовании, увеличение площади контакта между ними, соответственно уменьшаются межчастичные полости и плотность воздуха в результате этого в них возрастает, что способствует увеличению теплопроводности заготовки и сокращает время нагрева в 2-10 раз в зависимости от диаметра нагреваемой заготовки по сравнению с временем нагрева порошковой смеси в известном способе. Это приводит к повышению производительности труда и снижению энергозатрат при осуществлении технологического процесса получения плотной заготовки. The proposed method allows to obtain a preform with a density of 75-85% rel. , i.e. increase the density of the heated preform by 20-25% rel. in comparison with the known method, due to the partial destruction of the oxide films surrounding the aluminum powder particles during cold pressing, the increase in the contact area between them, the interparticle cavities decrease, and the air density increases as a result of this, which increases the heat conductivity of the workpiece and shortens the heating time 2-10 times depending on the diameter of the heated preform compared with the time of heating the powder mixture in the known method. This leads to increased labor productivity and reduced energy consumption during the implementation of the technological process of obtaining a dense workpiece.

Применение температурного режима нагрева плотной заготовки перед горячей деформацией ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтетики меньше, чем на 10^oC, не дает возможности при горячей деформации заготовки получить из нее проволоку с высокой плотностью из-за образования неконтролируемого количества жидкой фазы, которая практически не уплотняется, в получаемой проволоке образуются несплошности, способствующие выходу газа-вспенивателя без образования пористой структуры. Соответственно такой полуфабрикат бракуют и выход годного, соответственно уменьшается.The application of the temperature regime for heating a dense workpiece before hot deformation is lower than the formation temperature of the most low-melting eutetics by less than 10 ^o C, makes it impossible to get a wire with high density from it because of the formation of an uncontrolled amount of the liquid phase, which practically does not condense , discontinuities are formed in the resulting wire, contributing to the exit of the blowing gas without the formation of a porous structure. Accordingly, such a semi-finished product is rejected and the yield is correspondingly reduced.

Применение температурного режима нагрева заготовки перед деформацией температуры образования легкоплавкой эвтетики больше, чем на 20^oC, приводит к значительному снижению коэффициентов диффузии химических элементов по частицам алюминиевого порошка. Так как зависимость коэффициента диффузии от температуры имеет характер экспоненты и при температурах нагревав ≥ 400^oC, характерных для образования легкоплавких эвтетик в алюминиевых сплавах, понижение температуры нагрева даже на 2-3^oC приводит к снижению коэффициента диффузии на 10-20% отн. Поэтому проволока получается недостаточно плотная, она имеет несплошности, по которым газ порофора, разложившегося при высокотемпературной термообработке, выходит, не вызывая вспенивания проволоки. В результате этого получают проволоку с повышенной плотностью (ρ ≥ 1,5 г/см³). Такую проволоку бракуют, соответственно выход годного уменьшается.The use of the temperature regime of heating the workpiece before deforming the temperature of formation of low-melting eutetics by more than 20 ^o C, leads to a significant decrease in the diffusion coefficients of chemical elements by particles of aluminum powder. Since the temperature dependence of the diffusion coefficient has an exponential character and at temperatures of ≥ 400 ^° C, which are characteristic of the formation of fusible eutetics in aluminum alloys, a decrease in the heating temperature even by 2-3 ^° C leads to a decrease in the diffusion coefficient by 10-20% r. Therefore, the wire is not dense enough, it has discontinuities along which the gas of the porophore decomposed during high-temperature heat treatment exits without causing foaming of the wire. As a result of this, a wire with an increased density (ρ ≥ 1.5 g / cm ³ ) is obtained. Such a wire is rejected, respectively, the yield decreases.

Примеры осуществления способа
Пример 1
Порошок алюминиевого сплава марки 1209 (температура легкоплавкой эвтетики - 510^oC в количестве 108 кг смешали с 1,1 кг порофора TiH₂ (температура разложения 690^oC), засыпали в емкость диаметром 290 мм, высотой 1100 мм, изготовленную из алюминиевого сплава АД31 и спрессовали в плотную заготовку на прессе усилием 50 МН, используя глухую матрицу. Плотную заготовку выгрузили из пресса и нагрели до температуры 490^oC, что на 20^oC ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтетики материала заготовки. Время нагрева составило 3 ч. Заменили глухую матрицу на матрицу для прессования прутка диаметром 90 мм и отпрессовали его. Остывший пруток разметили на мерные заготовки длиной 150 мм. Одну заготовку нагрели до температуры 500^oC, что на 10^oC ниже температуры плавления самой легкоплавкой эвтетики материала прутка, и на прессе усилием 15 МН отпрессовали на проволоку. Получили 20 проволок размером ⌀ 3 х 5000 мм.Examples of the method
Example 1
Powder of aluminum alloy grade 1209 (temperature of fusible euthetics - 510 ^o C in the amount of 108 kg was mixed with 1.1 kg of TiH ₂ porophore (decomposition temperature of 690 ^o C), it was poured into a container with a diameter of 290 mm, a height of 1100 mm, made of aluminum alloy AD31 and pressed into a dense preform on a press with a force of 50 MN using a blank die, the dense preform was unloaded from the press and heated to a temperature of 490 ^o C, which is 20 ^o C lower than the temperature of formation of the most low-melting eutetics of the preform material, the heating time was 3 h. matrix on ma They pressed the bar with a diameter of 90 mm and pressed it. The cooled bar was marked on measuring billets 150 mm long. One billet was heated to a temperature of 500 ^o C, which is 10 ^o C lower than the melting temperature of the most low-melting eutetics of the bar material, and with a force of 15 MN pressed onto the wire, 20 wires with a size of ⌀ 3 x 5000 mm were obtained.

5 штук проволок диаметром 3 мм и длиной 5000 мм равномерно, с зазором 3-4 мм обмотали по высоте цилиндрической формы диаметром 200 мм, сваривая стыки проволоки. Закрепив форму на стержне, поместили в печь для проведения высокотемпературной обработки. После охлаждения получили термоизоляционный, звукопоглощающий кожух с плотностью материала 0,5-0,6 г/см³, диаметром 200 мм, толщиной стенки 6 мм и длиной 250 мм.5 pieces of wires with a diameter of 3 mm and a length of 5000 mm evenly, with a gap of 3-4 mm were wrapped around a height of a cylindrical shape with a diameter of 200 mm, welding the joints of the wire. Having fixed the form on the rod, they were placed in a furnace for carrying out high-temperature processing. After cooling, a heat-insulating, sound-absorbing casing with a material density of 0.5-0.6 g / cm ³ , a diameter of 200 mm, a wall thickness of 6 mm and a length of 250 mm was obtained.

5 штук проволоки диаметром 3 мм и длиной 5000 мм порезали на частицы диаметром 3 мм и длиной также 3 мм, заполнили частицами проволоки 25% объема формы размером 10 х 500 х 500 мм. Форму, заполненную частицами проволоки, поместили в печь для проведения высокотемпературной обработки. После проведения высокотемпературной обработки форму выгрузки из печи охладили и вынули готовое изделие - фильтр размером 10 х 500 х 500 мм с открытой пористостью размером 0,1-3 мм с плотностью материала 0,5-0,6 г/см³. Фильтр предназначен для очистки от твердых частиц при заборе воздуха, используемого для охлаждения генератора электровоза.5 pieces of wire with a diameter of 3 mm and a length of 5000 mm were cut into particles with a diameter of 3 mm and also a length of 3 mm, filled with particles of wire 25% of the mold volume measuring 10 x 500 x 500 mm. A mold filled with wire particles was placed in a furnace for high temperature processing. After carrying out high-temperature processing, the form of unloading from the furnace was cooled and the finished product was removed - a filter measuring 10 x 500 x 500 mm with an open porosity of 0.1-3 mm with a material density of 0.5-0.6 g / cm ³ . The filter is intended for cleaning from solid particles during the intake of air used to cool an electric locomotive generator.

10 штук проволок диаметром 3 мм и длиной 5000 мм порезали на отрезки длиной 500 мм, из полученных отрезков в количестве 100 штук изготовили сетку размером 400 х 400 мм с размером ячейки 6 х 6 мм. Полученную сетку загрузили на поддоне в печь для проведения высокотемпературной обработки. После высокотемпературной обработки получили воздушный фильтр с равномерно распределенной открытой пористостью (ячейка поры размером 2 х 2 мм) и закрытой пористостью в самой частице, плотность материала составила 0,5-0,6 г/см³.10 pieces of wires with a diameter of 3 mm and a length of 5000 mm were cut into pieces with a length of 500 mm, a mesh of 400 x 400 mm in size with a mesh size of 6 x 6 mm was made from the obtained pieces in an amount of 100 pieces. The resulting mesh was loaded on a pallet into the furnace for high-temperature processing. After high-temperature processing, an air filter was obtained with uniformly distributed open porosity (pore cell 2 x 2 mm in size) and closed porosity in the particle itself, the material density was 0.5-0.6 g / cm ³ .

С учетом количества полученных из одного прутка диаметром 90 мм заготовок диаметром 90 и длиной 150 мм в количестве 30 штук соответственно получили 30 штук термоизоляционных звукопоглощающих кожухов диаметром 200 мм и длиной 240 мм, 60 фильтров размером 10 х 500 х 500 мм для очистки от твердых частиц при заборе воздуха, используемого для охлаждения генератора электровоза, и 30 фильтров-сеток размером 400 х 400 мм с открытой пористостью (ячейка поры размером 2 х 2 мм). Taking into account the number of 30 pieces obtained from one rod with a diameter of 90 mm and a diameter of 90 and a length of 150 mm, 30 pieces in length were 30 pieces, respectively, 30 pieces of heat-insulating sound-absorbing casings with a diameter of 200 mm and a length of 240 mm, 60 filters with a size of 10 x 500 x 500 mm for cleaning from solid particles with the intake of air used to cool the electric locomotive generator, and 30 filter screens 400 x 400 mm in size with open porosity (pore cell 2 x 2 mm in size).

Выход годного составил 88% на прутке и 80% на готовом изделии (расчет сделан от шихты) и получены изделия различной формы и габаритов. The yield was 88% on the bar and 80% on the finished product (the calculation was made from the charge) and received products of various shapes and sizes.

Пример 2
Порошок алюминиевого сплава марки 1209 (T_S =550^oC, T_l = 630^oC) в количестве 108 кг смешали с 1,1 кг порофора TiH₂ (T разложения 690^oC), засыпали в неразборную капсулу диаметром 290 мм, высотой 1100 мм, которая изготовлена из сплава АД31, капсулу нагрели до температуры 530^oC, время нагрева составило 25 ч, затем нагретую капсулу спрессовали в плотную заготовку при этой температуре на прессе усилием 50 МН, используя глухую матрицу. Сняли глухую матрицу, поставили вместо нее матрицу для прессования полосы размером 40 х 250 мм, отпрессовали ее. После охлаждения полосы разметили ее на мерные заготовки длиной 1000 мм, получили заготовки размером 40 х 250 х 1000 мм. Заготовки нагрели до температуры 520^oC и на стане "Трио" прокатали на листы толщиной 6 мм. Получили 4 листа размером 6 х 1000 х 1000 мм. Положили каждый лист толщиной 6 мм на форму, представляющую собой сетку из проволоки диаметром 4 мм (нержавеющая сталь) с размером ячейки 4 х 4 мм; величиной 1000 х 1000 мм и провели высокотемпературную обработку при Т=690^oC. После термообработки вынули формы из печи, охладили. Сняли вспененные листы из формы. Получило 16 штук изделий с формой, повторяющей форму сетки. Ячейки на изделии имели размер 2 х 2 мм и все были закрыты, т.е. открытой пористости на листовой заготовке не получили.Example 2
Powder of aluminum alloy grade 1209 (T _S = 550 ^o C, T _l = 630 ^o C) in an amount of 108 kg was mixed with 1.1 kg of TiH ₂ porophore (T decomposition 690 ^o C), poured into a non-separable capsule with a diameter of 290 mm, height 1100 mm, which is made of AD31 alloy, the capsule was heated to a temperature of 530 ^o C, the heating time was 25 hours, then the heated capsule was pressed into a dense preform at this temperature on a press with a force of 50 MN using a deaf matrix. They removed the deaf matrix, put in its place a matrix for pressing a strip measuring 40 x 250 mm, pressed it. After cooling the strip, we marked it on measuring blanks with a length of 1000 mm, and obtained blanks measuring 40 x 250 x 1000 mm. The billets were heated to a temperature of 520 ^o C and at the Trio mill, they were rolled onto 6 mm thick sheets. Received 4 sheets measuring 6 x 1000 x 1000 mm. Each sheet was laid 6 mm thick on a form, which is a mesh of wire with a diameter of 4 mm (stainless steel) with a mesh size of 4 x 4 mm; 1000 x 1000 mm and carried out high-temperature processing at T = 690 ^o C. After heat treatment, the molds were taken out of the oven, cooled. They removed the foam sheets from the mold. Received 16 pieces of products with a shape that repeats the shape of the grid. The cells on the product had a size of 2 x 2 mm and all were closed, i.e. open porosity on a sheet blank was not obtained.

Время нагрева порошковой смеси в капсуле перед прессованием составило 25 ч. The heating time of the powder mixture in the capsule before pressing was 25 hours

Выход годного на полосе составил 75%, по готовому изделию (пористый плоский фильтр с ячейкой 4 х 4 мм) - 0%. The yield on the strip was 75%, for the finished product (porous flat filter with a 4 x 4 mm mesh) - 0%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет расширить номенклатуру получаемых пористых как полуфабрикатов, так и изделий из них сложной формы и различной конфигурации из порошков алюминиевых сплавов, повысить производительность труда в 6-8 раз при получении плотной заготовки и увеличить выход годного на промежуточной заготовке (пруток или полоса) с 75 до 87%, на готовом изделии с 0 до 80%. Thus, the proposed method allows to expand the range of porous semi-finished products, as well as products from them of complex shape and various configurations from powders of aluminum alloys, to increase labor productivity by 6-8 times when obtaining a dense workpiece and to increase the yield on an intermediate workpiece (bar or lane) from 75 to 87%, on the finished product from 0 to 80%.

Claims (10)

1. Способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошка алюминиевого сплава с порофором, засыпку полученной смеси в емкость, горячую деформацию полученной заготовки, помещение ее в форму и высокотемпературную термообработку, отличающийся тем, что после засыпки смеси порошков в емкость ведут холодное прессование с последующим нагревом плотной заготовки до температуры на 10 - 20^oС ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтектики материала заготовки с последующей горячей деформацией при этой температуре с получением плотной заготовки.1. A method of producing porous semi-finished products from aluminum alloy powders, comprising mixing an aluminum alloy powder with a porophore, filling the resulting mixture into a container, hot deforming the resulting billet, placing it in a mold and high-temperature heat treatment, characterized in that after filling the powder mixture into the container, they are cold pressing followed by heating the dense workpiece to a temperature of 10 - 20 ^o C below the temperature of formation of the most low-melting eutectic of the workpiece material with subsequent hot deformation tion at this temperature to obtain a dense workpiece. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что горячей деформацией получают плотную заготовку в виде проволоки. 2. The method according to p. 1, characterized in that the hot deformation receive a dense workpiece in the form of a wire. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что плотную заготовку перед высокотемпературной термообработкой перерабатывают на частицы разной формы и размера. 3. The method according to claim 1, characterized in that the dense preform is processed into particles of different shapes and sizes before high-temperature heat treatment. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что проволоку перед высокотемпературной термообработкой перерабатывают на частицы разной формы и размера. 4. The method according to claim 2, characterized in that the wire before high temperature heat treatment is processed into particles of different shapes and sizes. 5. Способ по любому из пп.1 и 3, отличающийся тем, что перед высокотемпературной обработкой в форму помещают частицы разного химического состава послойно. 5. The method according to any one of claims 1 and 3, characterized in that prior to high-temperature processing, particles of different chemical composition are placed in a mold in layers. 6. Способ по любому из пп.1, 2 и 4, отличающийся тем, что перед высокотемпературной обработкой в форму помещают частицы разного химического состава послойно. 6. The method according to any one of claims 1, 2 and 4, characterized in that prior to high-temperature processing, particles of different chemical composition are placed in a mold in layers. 7. Способ по любому из пп.1 и 3, отличающийся тем, что перед высокотемпературной термообработкой форму заполняют частицами полностью. 7. The method according to any one of claims 1 and 3, characterized in that before the high-temperature heat treatment, the form is completely filled with particles. 8. Способ по любому из пп.1, 2 и 4, отличающийся тем, что перед высокотемпературной термообработкой форму заполняют частицами полностью. 8. The method according to any one of claims 1, 2 and 4, characterized in that before the high-temperature heat treatment, the form is completely filled with particles. 9. Способ по любому из пп.1 и 3, отличающийся тем, что перед высокотемпературной термообработкой форму заполняют частицами частично. 9. The method according to any one of claims 1 and 3, characterized in that before the high-temperature heat treatment, the form is partially filled with particles. 10. Способ по любому из пп.1, 2 и 4, отличающийся тем, что перед высокотемпературной термообработкой форму заполняют частицами частично. 10. The method according to any one of claims 1, 2 and 4, characterized in that before the high-temperature heat treatment, the form is partially filled with particles.