Порошковая металлургия

Порошковая металлургия алюминия

Примерно с 1980 г. во всех передовых странах, включая СССР, происходило интенсивное развитие и промышленное становление порошковой металлургии (ПМ), в том числе ПМ алюминия. За рубежом этот процесс продолжается, происходит непрерывное (за малым исключением в период 2008–2010 гг.) повышение активности зарубежных фирм в производстве спеченных порошковых изделий.

К сожалению, отечественное производство порошковой продукции в первом десятилетии XXI века переживало упадок в связи с общим кризисом экономики, падением потребления, практическим отсутствием госзаказа, ограничениями экспорта и сложностями с реализацией на внешнем и внутреннем рынке изделий из этой продукции.

В развитых странах хорошо понимают, что ПМ алюминия и его сплавов – весьма перспективная область технологии как для массового серийного производства в различных отраслях промышленности, так и для получения изделий специального назначения с заданными прецизионными свойствами. Она открывает широкие возможности создания легких, прочных и коррозионностойких материалов с улучшенным комплексом физико-химических характеристик, заданными структурой, пластичностью и пористостью. ПМ – одно из наиболее эффективных направлений создания экономичного малоотходного производства алюминиевых изделий на базе непрерывных или полунепрерывных процессов.

По достигаемому эффекту экономические и технические перспективы ПМ алюминия очевидны и альтернативы не имеют. Именно поэтому большинство развитых стран активно проводят научные и технологические разработки в этой области, успешно внедряют использование деталей и узлов из спеченных алюминиевых сплавов в различных отраслях промышленности. Конструкторов привлекает возможность применения легких предельнолегированных алюминиевых сплавов в автомобилестроении, авиаи ракетно-космической технике, электротехнике и электронике, при производстве деталей для бытовых приборов, переносных устройств, спортивного инвентаря и прочего, т. е. в тех отраслях, где в первую очередь необходимы снижение массы деталей, вибрации, шума, потребляемой мощности, уменьшение их инерционности, быстрый разгон и торможение.

Темпы развития ПМ алюминия в передовых промышленных странах впечатляют. К началу XXI века доля порошков в общем мировом выпуске алюминия составляла около 2 %, а производство из них изделий методами ПМ – только 2–4 % от выпуска порошков. Вместе с тем за последние 20 лет в развитых странах потребление алюминиевых порошков для целей ПМ выросло в десять раз. Например, имеются сведения, что в отдельные годы в этот период ПМ алюминия США производила 20–50 % изделий от объема всего выпуска продукции методами ПМ; к 1999 году США производили ежегодно примерно 3000 т прессованных изделий из порошков алюминия и его сплавов, в том числе 1353 т в автомобилестроении, а объемы производства изделий методами ПМ достигали 5–10 % от общего объема выпуска алюминиевых порошков. Объем выпускаемой продукции по ряду наименований составляет миллионы штук в год. Максимальная масса заготовок, получаемых из порошковых смесей на основе алюминия, доведена до 1500 кг. Доля алюминиевых сплавов в общем выпуске порошковых материалов непрерывно и быстро увеличивается [I.42–I.44].

Однако в абсолютном выражении доля ПМ алюминия остается невысокой как по отношению к ПМ меди и железа, так и к объемам производства и к традиционным областям потребления алюминиевых порошков – в металлургической, химической, строительной, лакокрасочной, оборонной, горнодобывающей и других отраслях промышленности (см. табл. 1, 2) [I.45, I.46].

Спрос на изделия из алюминиевых порошков непрерывно растет, однако потенциальные потребители не всегда осведомлены о свойствах спеченных алюминиевых изделий и о возможностях современной технологии ПМ алюминия, многие жизнеспособные разработки недостаточно востребованы и через много лет после их успешного внедрения.

Производство деталей из алюминиевых порошков обладает общеизвестными достоинствами методов классической ПМ – высоким коэффициентом использования материала, низкими капитальными вложениями и, кроме того, специфическими преимуществами, позволяющими существенно повысить служебные характеристики традиционных алюминиевых сплавов, создать материалы и изделия с уникальными заранее заданными свойствами. Использование быстроохлажденных, высоколегированных, прецизионных, дисперсно-упрочненных, механолегированных алюминиевых сплавов обеспечивает получение высокопрочных, теплопрочных, износостойких материалов и материалов с низким тепловым коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). Порошковая металлургия позволяет вовлечь в рентабельное использование высокожелезистый алюминий, электротермические силумины, а также алюминий из лома и отходов.

Можно сказать, что алюминий и ПМ практически предназначены друг для друга. Алюминий легко вписывается в стандартные технологии ПМ, обладает хорошими формуемостью и прессуемостью, что позволяет на одном и том же оборудовании прессовать более крупные детали, чем из железа. Высокая коррозионная стойкость и снижение массы деталей в сочетании с отсутствием (в большинстве случаев) необходимости их дополнительной обработки после спекания усиливают предпочтение выбора в пользу алюминия.

Подчас спрессованные алюминиевые порошковые детали обладают равной и даже большей прочностью, чем детали из сплавов железа, благодаря высокой относительной плотности (90–95 и 79–86 % от теоретической, соответственно). Одна и та же относительная плотность изделия из алюминиевого порошка достигается при более чем вдвое меньшем усилии прессования, чем из стального (193 МПа по сравнению с 483). Сырые (не спеченные) алюминиевые изделия выдерживают б´ольшие нагрузки при транспортировке после прессования, чем чугунные. Это позволяет изготавливать из алюминиевого порошка более сложные детали, чем из стального. Спекание алюминиевых деталей по сравнению с железными требует меньших затрат времени и энергии.

Алюминий в изделиях ПМ обладает заметными преимуществами там, где требуется механическая обработка сложных деталей после прессования, благодаря его пластичности и легко ломающейся стружке, что позволяет применять более высокие скорости резания, снизить расход инструмента и уменьшить массу получаемой стружки.

По данным западных фирм-производителей, затраты при изготовлении деталей из алюминиевых порошков методом ПМ примерно на 10 % ниже, чем из железных порошков.

Однако такой общий недостаток ПМ, как ограничение размеров изделий при прессовании, характерен и для ПМ алюминия.

Развитие отечественной ПМ алюминия до 1990 г. шло “вглубь”, а не “вширь”. Оно характеризовалось разработкой научных и аппаратурно-технологических основ спекания, обусловленных спецификой алюминия и, в первую очередь, свойствами его поверхности. Как известно, частицы алюминия покрыты тугоплавкой оксидной пленкой Al2O3 (толщиной 4–60 нм в зависимости от марки, дисперсности, условий производства), которая препятствует

образованию прочной металлической связи между частицами порошка в процессе спекания. Главным образом по этой причине использование алюминия в ПМ до сих пор недостаточно. Толщина оксидной пленки на частицах оказывает решающее влияние на прессуемость и особенно на спекаемость порошков алюминия и его сплавов. При толщине пленки более 50 нм спекание порошков затрудняется. Свежие, только что полученные порошки обычно имеют толщину пленки менее 5 нм, однако при контакте с воздухом сразу же наблюдается ее утолщение до 20 нм. Дальнейшее замедленное утолщение пленки, особенно во влажной атмосфере, продолжается длительное время.

Основные проблемы, тормозящие практическое использование ПМ алюминия, можно разделить на научные, технологические, аппаратурные и организационные.

Научные проблемы, связанные с преодолением барьерного воздействия оксидной пленки, удается решить при правильно организованном хранении порошков, при использовании приемов химической или механической активации их поверхности, введением облегчающих спекание добавок и с помощью других приемов.

Желательно использовать только свежие порошки, хранившиеся в заводской упаковке при нормальных условиях не более года. Старые порошки или порошки из тары с нарушенной герметичностью перед применением рекомендуется активировать.

Фазовый состав, сплошность, толщина, химическая и механическая прочность оксидной пленки фактически не нормируются и не контролируются и могут в существенной мере изменяться при проведении подготовительных к прессованию операций. Дегидратация поверхностного гидроксида способствует “разрыхлению” брикета, неравномерному окислению алюминия, формированию пористости прессованных полуфабрикатов.

Степень гидратации оксидной пленки может уменьшить обработка порошков, например, в фосфорной кислоте. Получение и стабилизацию заданных свойств оксидной пленки необходимо осуществлять в момент производства порошков. В ряде случаев приемлемо “капсулирование” порошков нанесением защитного покрытия. Решение этих задач остается одной из проблем развития ПМ алюминия.

В порошковой металлургии алюминия и его сплавов определились основные технологические схемы (рис. 1). Наибольшее распространение за рубежом (США, Япония, Канада) получили способы классической ПМ – холодное прессование порошка малолегированного или нелегированного алюминия (вариант 1) или смеси этого порошка с порошками легирующих металлов (вариант 2) с последующим спеканием. В России принято получение полуфабрикатов из порошков быстроохлажденных алюминиевых сплавов методами прессования или горячей экструзии (вариант 3).

Технологические схемы получения компактных деталей из алюминиевых порошков методами ПМ

Рис. 1. Технологические схемы получения компактных деталей из алюминиевых порошков методами ПМ

Примечание. В качестве смазки используют вещества на основе органических жирных кислот, парафина, синтетического воска и другие с малым содержанием влаги и зольного остатка. Например, в применяемых в США смазках (Стеротекс, Акревакс, Норковакс 22) содержание влаги и летучих веществ при 105 С – 0,01–0,09 %, а содержание зольного остатка при 800 С – менее 0,02 %.

Способы ПМ алюминия по вариантам 1 и 2 надежно обеспечены существующими в России и за рубежом мощностями производства порошков нелегированного алюминия на установках большой производительности. В России по этим вариантам успешно используются серийные порошки марок ПА, АКП, ПАВЧ и ряд других. Способы были отработаны и внедрены в НПО “Комплекс” (г. Великий Новгород), НПО “Оксид” (г. Новосибирск). В качестве исходных порошков использовали порошки чистого (в НПО “Оксид” – высокочистого) или малолегированного алюминия. Технологии позволяют достичь основной цели применения ПМ – снижения трудоемкости и энергоемкости изготовления деталей, сокращения расхода металла. Способ обеспечивает успешное получение пористых изделий. При этом высоких требований к механическим свойствам деталей в большинстве случаев не предъявляется.

Механические свойства прессованных изделий из нелегированного алюминиевого порошка различной крупности приведены в табл. 12.

Таблица 12

Механические свойства прессованных изделий из нелегированного алюминиевого порошка различной крупности

Крупность порошка, мкмСредний размер частиц, мкмσв, МПаδ, %
0–2010155–18816–23
0–10030120–12222–28
0–5035105–11030–32
0–12562101–10623–27
250–45035088–9628–33

По варианту 2 из смеси порошков алюминия или его сплава и меди способом холодного прессования с последующим спеканием при сравнительно невысоком вакууме могут быть изготовлены высокоточные изделия.

Способ изящно решает непростую задачу спекания алюминия. Добавка меди к алюминиевой шихте приводит к тому, что при нагревании прессовок из смеси этих металлов до температуры плавления эвтектики начинается так называемое контактное плавление: в точке соприкосновения разнородных частиц образуется жидкая фаза. Ее появление не связано с перегруппировкой частиц или процессом растворения–осаждения. Медь (и некоторые другие металлы), обладая высокой скоростью диффузии через оксидную пленку алюминия, способствует ее механическому разрушению в процессе спекания. Происходят диспергирование оксидной пленки и рассеивание ее осколков в жидкой фазе. Прессовки из порошка сплава алюминия с медью при том же содержании меди спекаются плохо: так, если прочность прессовок из смеси порошков Al + 10 % Cu, спеченных при 560 °С в течение 2 часов, составляет 170 МПа, то прочность прессовок из порошка сплава Al–10 % Cu – только 60 МПа.

Систематические исследования механизма жидкофазного спекания порошков на основе алюминия проведены в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) под руководством А. П. Савицкого, в Институте электромеханики (ВНИЭМ) (Москва) и НИИ “Импульс” (Москва).

Ряд отечественных предприятий, выпускающих средства связи, изделия электротехнической и других отраслей промышленности, отдали предпочтение смесевому методу и использовали его в 70–80-е годы прошлого века. Выпуск деталей осуществлялся мелкими сериями с довольно низким уровнем автоматизации. Некоторые из этих участков продолжают функционировать и развиваться, другие законсервированы или ликвидированы.

Разновидностью смесевого варианта было введение легирующих компонентов в виде сплавов с алюминием, что обеспечивало более высокую однородность смесевой шихты, но затрудняло протекание процесса спекания.

Вариант 2 ПМ активно используется за рубежом, по этому методу получают готовые изделия – втулки, шестерни, шатуны и другие детали с толщиной стенок до 2 мм.

1. Получение пористых ленточных адсорбентов

Одна из областей применения изделий, изготовленных методами ПМ – отрасль вакуумно-криогенной техники, выпускающая установки для получения высокого вакуума, в основе действия которых лежит явление физической адсорбции молекул газов поверхностью твердого тела. В качестве адсорбентов обычно используют порошки и гранулы материалов с большими значениями удельной поверхности.

Адсорбенты на основе активных углей, силикагелей и цеолитов имеют недостатки – низкую теплопроводность и недостаточную

механическую прочность. Высокопористые сорбирующие элементы на основе металлических порошков с высокими теплофизическими свойствами лишены этих недостатков, их применение позволяет обеспечить получение более глубокого вакуума.

Сорбирующие композиционные материалы сочетают в себе достоинства материалов обоих типов и состоят из неметаллической фазы (обладающей максимальной удельной поверхностью для обеспечения необходимого уровня адсорбционных свойств) и металлической матрицы (обеспечивающей высокие теплофизические свойства и надежное закрепление частиц адсорбента).

Необходимое требование, предъявляемое к этим материалам – высокая открытая пористость, что удовлетворяется при общей пористости изделия более 0,2.

Совместными исследованиями кафедры пластической обработки ЛПИ им. М. И. Калинина и ВАМИ исследована возможность получения лент с такой пористостью из алюминиевых порошков, в частности, марок АСД-0 (+50–140 мкм), АКП и ПАМ (+80–1000 мкм).

Для повышения прочности пористых лент производят термообработку, позволяющую интенсифицировать диффузионные процессы в межчастичных контактах. Для этих целей сконструирована установка безынерционного бесконтактного нагрева лент лучистой энергией непосредственно на выходе из валков прокатного стана. Установка представляет собой две полированные алюминиевые водоохлаждаемые панели с закрепленными и сфокусированными в пазах источниками излучения – кварцевыми лампами мощностью в 1 кВт каждая с номинальной длиной волны излучения 1 мкм. Для обеспечения равномерности нагрева лент лампы расположены в шахматном порядке, на каждой панели установлено 8 ламп.

Все лампы соединены в группы по четыре – по две на каждой панели, что позволяет регулировать продолжительность нагрева лент и распределение температурного поля по длине рабочей зоны. Установлено, что для надежного спекания пористых лент достаточно 20–25 с. Проведение спекания за столь краткое время позволяет обойтись без использования защитных сред, поскольку окисление проходит только по внешней поверхности лент.

Процесс получения магнитных алюминиевых сплавов основан на спекании алюминия и магнитного материала, при котором исключается их химическое взаимодействие и достигается высокое значение модуля упругости. Магнитные и электрические свойства магнитных сплавов можно варьировать в широких пределах, изменяя количество магнитного материала. Разработаны сплавы, имеющие высокие магнитные и механические свойства [I.48]. Они могут быть использованы в электрических двигателях различных типов, множительной и электронной технике. При производстве постоянных магнитов успешно применяются порошки сплава Al–Co.

К началу 90-х годов XX века в России был полностью завершен комплекс научных, инженерных и конструкторских работ для организации высокорентабельного производства, реализующего классические преимущества ПМ. Создаваемое производство ориентировалось на потребление порошков ПА-4 с уменьшенным содержанием пылевых фракций. На их основе были разработаны специальные марки порошков ПА-4-ПМ и ПА-4-ПК, а также порошки малолегированных сплавов ПАС-ПМ (см. табл. 1.1), обладающие стабильным гранулометрическим составом, устойчивой сыпучестью и хорошей прессуемостью, что позволяло перерабатывать их в изделия на высокопроизводительных прессах-автоматах.

Например, для АвтоВАЗа на основе порошков ПА-4-ПК и ПАС-ПМ по схеме “прессование–спекание–выдавливание” получены детали с пределом прочности более 150 и 250 МПа, для радиотехники изготовлены колпачки с пределом прочности до 210 МПа, с относительным удлинением до 40 % и твердостью до 650 МПа.

Однако разразившийся политико-экономический кризис не позволил реализовать намеченное на конец 90-х годов создание по этой технологии крупного отечественного производства на заводе “Электроконтакт” в г. Кинешма (Ивановская обл.) изделий, деталей и полуфабрикатов из спеченных порошков алюминия и его сплавов для электротехнической промышленности.

Вариант 3 ПМ алюминия – термостатическая обработка (предпочтительно горячее изостатическое прессование, экструзия или прокатка) быстроохлажденных (распыленных или гранулированных) алюминиевых сплавов (БОАС) – получил распространение как за рубежом, так и в России. Технологию ПМ таких сплавов разрабатывали институты авиационных материалов ВИАМ и легких сплавов ВИЛС (Москва), ВАМИ, институт цветных металлов КИЦМ (г. Красноярск).

Интерес к этим сплавам вызван их особыми свойствами. При быстром охлаждении из-за торможения диффузионных процессов, большой степени переохлаждения формируется “облагороженная” однородная мелкая кристаллическая структура, характеризуемая фиксацией пересыщенных твердых растворов, измельчением фазовых составляющих, их равноосной формой, наличием новых метастабильных фаз.

Компактированные из порошков и гранул БОАС полуфабрикаты, наряду с традиционными свойствами сплавов алюминия, приобретают ряд новых полезных, иногда уникальных свойств, не присущих компактному сплаву, благоприятный комплекс механических, физико-химических, коррозионных и других характеристик.

В ВАМИ совместно с заводами-производителями алюминиевых порошков в 80–90-е годы была разработана технология распыления и испытано большое количество конструкционных и специальных БОАС для прессования изделий, в том числе сплавы систем Al–Zn–Mg–Cu, Al–Мg–Li, Al–Si, Al–Si–Ni, Al–Sn–Сu, Al–Fe–Si, Al–Fе–Се, Al–РЗМ, Al–Mg–РЗМ, Al–Si–РЗМ и др.

В 90-е годы получение полуфабрикатов из порошков БОАС методами горячей экструзии стало основным направлением отечественной ПМ алюминия. При этом обеспечивается высокая теплопрочность (сплавы САС, ПВ-90, САП и др.), низкий ТКЛР (САС) и другой, не достижимый традиционными методами литья и обработки металлов комплекс свойств. Это направление ПМ алюминиевых сплавов получило наибольшее развитие для производства изделий в авиакосмической и в ряде других специальных отраслях техники. В автомобилестроении из порошков БОАС делают детали для гидравлики, подшипников скольжения, корпуса топливных насосов, картеры трансмиссий, поршни двигателей и т. д.

Использование варианта 3 не всегда позволяет достигать прямого экономического эффекта, обусловленного технологиями ПМ, технический же эффект обеспечивается качеством и уникальностью свойств готовых изделий. Методы горячей экструзии, горячего изостатического прессования (ГИП) дают возможность перерабатывать “нетехнологичные” сплавы (например, сплавы системы Al–Si, Al–Fe и другие с зачастую запредельным содержанием легирующих компонентов) в быстроохлажденном состоянии, однако высокая себестоимость переделов до сих пор ограничивает их широкое использование в промышленности при изготовлении полуфабрикатов менее ответственного назначения. Тем не менее методами горячей экструзии в настоящее время перерабатывается более 90 % порошковых сплавов алюминия.

Использование порошков перспективно и для приготовления методом ПМ из алюминиевых сплавов эталонных образцов для анализа, поскольку быстрым охлаждением можно обеспечить недостижимую традиционным способом однородность химического состава по всему объему образца.

Высокая эффективность ПМ БОАС подтверждается тем, что прочность полуфабрикатов из быстроохлажденных сплавов системы Al–Zn–Mg–Cu повышает до уровня прочности нержавеющих сталей и лучших титановых сплавов. В автомобилестроении порошковые сплавы этой системы применяют для изготовления шкивов, направляющих тяг, поршней, амортизаторов, шестеренок трансмиссий и топливных насосов.

В ПМ БОАС следует осторожно пользоваться законами классического металловедения. Так, например, некоторые традиционно вредные для алюминиевых сплавов примеси (железо и т. п.) в БОАС становятся полезными легирующими компонентами, поскольку в результате торможения процессов диффузии их выход на границы зерен замедляется и они равномерно распределяются по структуре сплавов. Присутствие тонких (около 1 мкм) равномерно распределенных в матрице интерметаллидов железа повышает прочность и теплопрочность при сохранении на достаточно высоком уровне пластичности и коррозионных свойств материала. Концентрация пересыщенного твердого раствора железа при скорости охлаждения 102–104 К/с (крупность частиц 50–100 мкм) достигала 4 %. Предел прочности прутков, экструдированных из таких порошков, составил 200–300 МПа, δ = 20 %, твердость при 400 °C – 800–900 МПа, при 500 °C – 500 МПа, что на порядок выше характеристик известных деформируемых высокопрочных алюминиевых сплавов. Сплавы не разупрочняются до 300 °C.

При компактировании порошков отмечались трудности, связанные с плохой прессуемостью и спекаемостью некоторых сплавов, особенно высокопрочных, имеющих повышенную твердость и хрупкость. До настоящего времени не полностью преодолены технологические трудности для сплавов Д16 (Al–Cu–Mg–Mn–Si), В95 (Al–Zn–Cu–Mg–Mn–Si), Д1 (Al–Cu–Mg–Mn), ПВ-90 (Al–Zn–Cu–Mg). Вероятно, подбором оптимальных технологических условий, введением добавок в шихту, проведением жидкофазного спекания и другими способами эти затруднения могут быть преодолены.

Для изготовления подшипников скольжения способом холодного прессования применяют смеси порошков сплава (мас. %): Al–10 Mg–2 Fe–3 Zn с порошками чистых алюминия, меди и цинка в различном соотношении (с добавками стеаратов для улучшения прессования и до 1,5 % фторида натрия как активатора при спекании). Спекание проводят в защитной атмосфере в глиноземной засыпке при 620–640 °С в течение 15–60 мин. Радиальное разрушающее усилие спеченных подшипников составляет 100–130 кгс.

Следует отметить, что в настоящее время разработчики ПМ алюминия незаслуженно мало внимания уделяют гранульной металлургии и гранулированным алюминиевым сплавам. Высокая скорость кристаллизации (до 104–105 К/с), достигаемая в процессе гранулирования расплава с закалкой частиц в воде, позволяет получать полуфабрикаты с механическими свойствами, не уступающими полученным из порошков. Технологии производства гранул алюминия и его сплавов описаны в разделе 1.3.

Преимущества гранульной металлургии – невысокая стоимость и безопасность при производстве и применении, недостатки – повышенная крупность частиц (в основном 300–500 мм), необходимость сушки гранул и дегазации брикетов перед спеканием, трудность или даже невозможность использования технологии механолегирования и получения композиционных материалов и т. д.

Значительный комплекс работ по созданию аппаратуры и технологии гранулирования, компактирования гранул, по разработке новых гранулируемых (быстроохлажденных “в воду”) сплавов и по изучению их характеристик проведен в ВИЛСе под руководством В.И. Добаткина, в КИЦМе и на Красноярском металлургическом заводе (КраМЗ, г. Красноярск) – под руководством Н.В. Шепельского, Ю.И. Пономарева, в ВАМИ – под руководством В.П. Черепанова, В.Г. Гопиенко, В.Г. Уварова, в Институте обработки цветных металлов (ГипроЦМО, Москва). В результате были созданы опытные участки по получению гранулируемых БОАС в ВИЛСе, ВАМИ, ЦНИИМе (Санкт-Петербург), ГипроЦМО и промышленные участки по получению и прессованию гранул на КраМЗе, по производству гранул на Волгоградском алюминиевом заводе (ВгАЗ).

Формирование новых свойств БОАС происходит в момент получения порошков и гранул, при проведении последующих операций компактирования и термообработки желательно сохранить полученную структуру материала.

Спеченные алюминиевые порошковые сплавы по способу воздействия на поверхностную оксидную пленку можно условно разделить на две группы. К первой относятся материалы, полученные методом активированного жидкофазного спекания смесей порошков, ко второй – сплавы, полученные интенсивной горячей механической обработкой, обеспечивающей разрушение оксидной пленки и создание прочных металлических связей между частицами металла.

Первая группа сплавов с целью уменьшения пористости и повышения механических свойств может после спекания подвергаться холодному или горячему деформированию; вторая группа сплавов перед горячей механической обработкой часто нуждается в термообработке, предпочтительно в вакууме, в процессе которой удаляются адсорбированные газы, влага и другие летучие примеси, а также происходит образование металлической связи в местах диффузии или разрушения оксидной пленки.

Интенсивное пластическое деформирование при повышенных температурах при прокатке, экструзии, ковке или штамповке прессованных заготовок, разрушая и диспергируя оксидный слой на поверхности частиц алюминия и его сплавов, позволяет консолидировать частицы и обеспечить компактирование материала. Длительное время пластическое деформирование было единственным средством преодоления защитного барьера оксидного слоя, препятствующего спеканию алюминиевых заготовок. Для переработки порошков этим методом требовалось специальное оборудование для горячего прессования и термообработки.

К 1990 г. в результате работ Лаборатории порошков ВАМИ и заводов (в основном – ВгАЗа) была надежно отработана технология получения более 30 марок конструкционных БОАС с практически 100%-ным выходом товарных фракций при достаточно высокой производительности (250–350 кг/ч). Скорость охлаждения частиц расплава составляла 104–105 К/с.

Порошки перерабатывались методами ПМ в прессованные полосы, прутки и профили, холоднокатаные листы на ряде предприятий машиностроительной, электротехнической, атомной, авиационной, электронной и других отраслей промышленности.

У всех материалов, полученных из этих порошков, пределы прочности и текучести, усталостная прочность, коррозионная стойкость были выше, чем у таких же сплавов, полученных из слитков, что обеспечило повышение ресурса и надежности эксплуатации изделий из них.

Современное промышленное оборудование отечественных цехов производства алюминиевых порошков технически обеспечивает получение порошковых алюминиевых сплавов практически любых составов. Большинство причин, сдерживающих развитие ПМ алюминия, были устранены или перестали играть решающую роль уже к 90-м годам прошлого века.

Важная задача дальнейшего развития ПМ алюминия – изучение и освоение новых приемов сверхбыстрого охлаждения расплавленных сплавов, получения наноструктурного или даже аморфного состояния. Применение порошков алюминия сверхвысокой дисперсности с удельной поверхностью (по методу газопроницаемости) до 0,8 м2/г и размером частиц менее 5 мкм открывает новые перспективы приготовления композиционных материалов и сплавов, в том числе механическим легированием.

Аморфное состояние, обеспечивающее резкое изменение физико-химических характеристик материалов и успешно используемое в развивающихся областях техники, при производстве некоторых видов сталей и титановых сплавов достигается уже при скорости охлаждения 104 К/с, а для алюминиевых сплавов она должна быть не ниже 106 К/с. Уменьшение размера кристаллического зерна за счет увеличения скорости кристаллизации расплава гарантировало прирост механической прочности, коррозионной стойкости, сохранение на приемлемом уровне пластичности, улучшение ряда других служебных характеристик. Необходимо усовершенствовать приемы компактирования порошков для максимально возможного сохранения достигнутого структурного состояния материала.

Экспериментально установлено, что закаленные метастабильные состояния в БОАС легче сохраняются в продукте, находящемся до компактирования в дисперсном состоянии. В связи с этим целесообразно основную часть вспомогательных операций, в частности термообработку (нагревание, дегазацию), проводить перед компактированием, само же компактирование желательно осуществлять быстро (например, во взвешенном состоянии), не перегревая продукт.

Актуальная технологическая задача – обеспечение возможности оперативного регулирования свойств исходного порошка при осуществлении процессов прессования в автоматическом режиме. Установлен комплекс необходимых технологических параметров компактирования и свойств порошков (размер, форма, удельная поверхность и пористость), обеспечивающий снижение газонасыщенности материала и повышение коррозионной стойкости изделий.

Плохая сыпучесть порошков, затрудняющая дозирование, создавала серьезные проблемы при прессовании в автоматическом режиме, так же как и сравнительно низкий температурный порог рекристаллизационных и фазовых превращений в быстроохлажденных сплавах. Технология получения специальных порошков алюминия и его сплавов для ПМ разрабатывалась ВАМИ в контакте и содружестве с основными потребителями и разработчиками финишных технологий ПМ.

К настоящему времени успешно отработаны методы повышения текучести порошковой шихты, обеспечивающие прессование в автоматическом режиме, и приемы стабилизации структуры материала.

Разработаны приемы термообработки и стабилизации свойств поверхности частиц. Повышение сыпучести обеспечено за счет снижения содержания в порошке тонких пирофорных фракций крупностью менее 50 мкм до уровня 10 %, порог рекристаллизации повышен легированием сплавов переходными металлами (Cr, Тi, Zr).

В последнее время активно разрабатывается метод активационного механолегирования (МЛ) алюминия для получения дисперсноупрочненных материалов, псевдосплавов, сплавов с повышенным уровнем служебных характеристик. В России эту технологию разрабатывали в ВИАМ, ВАМИ, ООО “Диском” (г. Чебоксары), в СПбГПУ и в некоторых других организациях.

Механолегирование – это технология, использующая твердофазные процессы, протекающие в порошкообразных металлах при энергичном механическом воздействии. Основной механизм МЛ заключается в том, что при интенсивном размоле происходит не столько измельчение, сколько генерация различного рода структурных изменений в объеме и активных состояний на поверхности кристалла, деформация решетки, рост количества дефектов и дислокаций. Термодинамически этот процесс можно рассматривать как процесс увеличения свободной энергии обрабатываемого материала. Наличие в твердом теле избыточной энергии приводит к возникновению термодинамически нестабильных состояний. Все это облегчает процессы диффузии и внедрения включений, т. е. процесс сплавообразования. Он ускоряется за счет того, что тепловая энергия удара и трения при измельчении порошков выделяется в микрозонах, где две частицы контактируют не всей поверхностью, а лишь вершинами рельефа. Это приводит к локальному кратковременному всплеску температуры. В поверхностном слое может быть достигнуто мгновенное возрастание температуры, значительно превышающее точку плавления металла. Основная масса вещества при этом остается холодной. Время существования таких температурных вспышек на площади 10–7–10–9 м2 не превышает 10–4 с. Экспериментально доказано, что в зоне контакта трущихся частиц давление в этот момент кратковременно возрастает до 1500 МПа.

Преимущества МЛ перед традиционным легированием заключается в возможности получения высоколегированных сплавов, которые нельзя получить по литейным технологиям, и псевдосплавов, в более равномерном распределении легирующих компонентов и в возможности осуществления процессов диффузии и легирования при сравнительно низких температурах.

Упрочнение алюминия включениями высокопрочных и высокомодульных компонентов при МЛ в высокоэнергетических мельницах позволило создать композиционные материалы с высокими удельными значениями прочности и жесткости, с высокой жаропрочностью и регулируемым комплексом свойств. Однако на данном этапе производство таких материалов характеризуется низкой производительностью и несравнимо дороже традиционного легирования.

Независимо от типа измельчающего аппарата МЛ протекает в три этапа. Для первого этапа характерно прогрессирующее во времени измельчение частиц. Активация материалов в этот период наиболее эффективна. Второй этап характеризуется развитием процесса агрегации частиц. На третьем этапе устанавливается динамическое равновесие процессов измельчения и агрегации, при котором размер частиц не меняется. В ходе агрегации образуется КМ слоистого строения. При его дальнейшей механообработке происходит уменьшение размера слоев до сотен и даже десятков нанометров, при этом во многих случаях могут образовываться равновесные и пересыщенные твердые растворы, интерметаллиды, аморфные структуры.

Методом МЛ в промышленности получали теплопрочные, дисперсно-упрочненные материалы САП из комкованной пудры марки АПС, а в Лаборатории порошков ВАМИ – высококремниевые (с содержанием кремния более 40 %) алюминиевые сплавы с низким ТКЛР, сплавы Al–Sn–Cu, Al–Pb–Cu.

Изделия из МЛ порошка сплава Al–20Pb, полученного из смеси элементарных порошков, обладают однородным распределением микротонких свинцовых фаз, стабилизированных против коагуляции и фазового огрубления наличием высокой плотности дислокаций и дисперсно-упрочненной алюминиевой матрицы.

МЛ-сплавы получали в результате длительного (до 30 суток) размалывания в высокоэнергетической шаровой мельнице алюминиевого порошка с добавлением до 10 % упрочнителя и графита. Размер исходного порошка алюминия составлял 50 мкм. В качестве упрочнителя были опробованы порошкообразные соединения -Al2O3, MgO, SiO2, TiO2, ZnO фракции 0,06 мкм; FeAl3, TiAl3 – 3–20 мкм; TiC – 2 мкм; TiN – 7 мкм; субмикронный TiC. Полученный гранулят с размером частиц 500–700 мкм прессовали и экструдировали при температуре 550 °C.

Установлено, что сплавы с α-Al2O3 и MgO превосходят по прочности и жаропрочности САПы. Другие оксиды, как и интерметаллиды железа и титана, менее эффективны. При размоле и нагреве сплавов, содержащих оксиды кремния, титана и цинка, эти добавки восстанавливались алюминием с большим выделением тепла и даже с самовозгоранием сплава.

Хорошие результаты были получены при применении сверхтонкого карбида титана и графита. При содержании 8 % ТiC материал имел σв = 400–500 МПа при комнатной температуре и σв = 140–180 МПа при 400 °С.

МЛ-сплав с 8 % углерода имел предел прочности 600 МПа при комнатной температуре и 800 (!) при 500 °C. После длительного (более 160 ч) отжига образцов при температуре 540 C заметного снижения жаропрочности не было зафиксировано. Такие свойства этих сплавов получены за счет образования при размоле тонких выделений карбида алюминия, частицы которого не коагулируют при высокой температуре.

В США методом МЛ получают порошковые дисперсно-упрочненные сплавы (мас. %) IN-9051 (Al–4,0Mg–0,6O2–0,8C), IN-9052 (Al–4,0Mg–0,8O2–1,1C) и IN-9021 (Al–4,0Cu–1,5Mg–0,8O2–1,1C).

Углерод вводят в виде сажи. Последующая термообработка приводит к in-situ* образованию дисперсных включений Al4C3, существенно упрочняющих сплав. С увеличением содержания частиц карбида алюминия прочность сплавов меняется в пределах 490–705 МПа. Сплавы сочетают прочность серийных высокопрочных алюминиевых сплавов с коррозионными свойствами, характерными для наиболее коррозионностойких сплавов.

* Термин in-situ в технологии механолегирования подразумевает синтез нового соединения из компонентов исходной шихты в результате механической обработки.

Сплав IN-9052 по химическому составу близок к деформируемому сплаву 5083 (отечественный аналог АМг4,5) и не требует упрочняющей термической обработки. Он обладает более высокой прочностью, лучшей коррозионной стойкостью и плотностью на 5,6 % ниже плотности сплава 7075-Т73 (отечественный сплав В95). Сплав IN-9021 – механически легированный аналог деформируемого сплава 2024 (отечественный сплав Д16), упрочняется термической обработкой и обладает по сравнению со сплавом 7075-Т73 значительно более высокими прочностью и вязкостью разрушения, улучшенными характеристиками выносливости и коррозионной стойкости. Из этих сплавов освоен выпуск горячепрессованных заготовок массой 136 кг и намечено изготовление заготовок массой до 550 кг.

Лучшая коррозионная стойкость и более высокие механические свойства получены на деталях из сплава IN-9021.

Сохраняется актуальность оптимизации технологических параметров процесса прессования и спекания алюминиевых сплавов, установления корреляции свойств получаемых материалов с технологическими режимами и проведения маркетинговых работ по внедрению новых материалов и методов ПМ алюминия в различные области техники.

Широкое внедрение ПМ сдерживают, главным образом, последствия общего экономического кризиса, нарушившего связи между предприятиями. Можно ожидать, что в условиях рыночного хозяйствования экономические преимущества ПМ будут действенным стимулом появления и развития новых производств ПМ алюминия, оживления деятельности тех отраслей техники, где требуются улучшенные свойства материалов. Момент обострения этого неудовлетворенного спроса в России пока предсказать трудно. Однако опыт Японии, Германии, Великобритании и США показал, что необходимо быть готовыми к освоению широкого ассортимента новых алюминиевых порошковых сплавов.

В последние годы в Российской Федерации создан ряд участков переработки тонких форм алюминиевых отходов (см. разд. 1.9) в порошки или гранулы с последующим их использованием в неответственных областях применения. В большинстве случаев такие материалы пригодны для прессования конструкционных материалов общего назначения.

Анализ состояния научной и аппаратурно-технической базы показывает, что изготовление большинства порошковых алюминиевых сплавов, различающихся химическим составом, пористостью, микроструктурой, формой и свойствами поверхностной пленки частиц порошка, технической сложности не представляет.

Разнообразные требования к служебным характеристикам получаемых изделий предполагают развития или подавление тех или иных свойств исходного порошка. Так, при изготовлении пористых прессованных изделий предпочтительны пористые или даже полые частицы. Для большинства конструкционных изделий желательна максимальная плотность частиц и прессовок, в этом случае важны свойства поверхности, влагосодержание и газонасыщенность. Насыпная плотность, сыпучесть (текучесть) частиц и их прессуемость определяют силовые нагрузки, геометрические параметры оснастки при брикетировании и прессовании. Порошковый алюминий с высокой удельной поверхностью обладает плохой уплотняемостью, но обеспечивает высокую прочность полуфабрикатов. Крупные полидисперсные сферические порошки и гранулы при хорошей уплотняемости имеют плохие показатели формуемости. Обычно желательна максимальная сыпучесть продукта для обеспечения его равномерной дозировки и транспортирования, в ряде случаев для подавления сегрегации по крупности сыпучесть продукта должна быть снижена.

Широкое внедрение порошковой металлургии требует развития номенклатуры порошковых алюминиевых сплавов, организации производства БОАС, легко перестраиваемого по химическому составу в соответствии с потребностями рынка, постоянного решения возникающих научных, технических, организационных и экономических проблем. Возможности существующих промышленных установок в этом плане довольно ограничены.

Освоение широкой номенклатуры порошковых сплавов требует использования агрегатов малой емкости, так как при переходе от получения одного сплава к другому необходимо тщательно промывать плавильную печь и технологические аппараты или иметь для каждого сплава отдельную технологическую линию, что связано или с образованием отходов, или с низким коэффициентом использования оборудования. Появляется проблема использования отсевов.

Становление отечественной порошковой металлургии алюминия сдерживалось из-за жестких требований пожаро- и взрывобезопасности производства, так как пылевые (менее 50 и особенно менее 20 мкм) фракции порошка пирофорны и легко образуют взрывоопасную аэровзвесь.

Соблюдение регламентированных мер при обращении с порошками обеспечивает полную безопасность труда. Эти меры установлены действующими “Правилами безопасности при производстве порошков и пудр из алюминия, магния и сплавов на их основе” (ПБ 11-555–03), а также Технологическими регламентами и инструкциями на производство или использование порошков.

В соответствии с этими Правилами промышленные распылительные и размольные установки размещаются в специальных помещениях (ячейках), стены которых рассчитаны на давление 500 кг на 1 м2 площади. Ячейки должны иметь легко сбрасываемую кровлю и определенную площадь остекления на 1 м3 объема помещения, с внешней стороны окна предусматривается запретная опасная зона шириной не менее 30 м, где запрещаются размещение каких-либо сооружений, движение транспорта, нахождение людей.

При переработке алюминиевых порошков методами ПМ массопотоки порошков обычно существенно ниже, чем при их производстве. С учетом меньшей взрывопожароопасности переделов компактирования порошков для них должны быть разработаны свои правила охраны труда и безопасности. Рекомендации по этому вопросу изложены в части V. В настоящее время при операциях транспортирования, хранения, перегрузок, при усреднении и приготовлении шихты рекомендуется соблюдать правила и нормы ПБ 11-555–03. Несомненно, их соблюдение требует увеличения капитальных вложений для создания специальных помещений, оборудования, обеспечения безопасных условий труда. В этом одна из серьезных причин, тормозящих широкое внедрение и развитие ПМ алюминия и его сплавов.

Порошковые фракции крупностью менее 50 мкм, главным образом мельче 20 мкм, взрывоопасны при наличии источника воспламенения. Такая пыль формирует устойчивое облако аэровзвеси при пересыпании в тару, бункер, из тары или бункера, при вибрациях, ударном воздействии и т. д. При оседании на горизонтальные поверхности она накапливается и создает угрозу взрыва. По этой причине взрывоопасны пылевые фракции всех, даже достаточно крупных и самих по себе взрывобезопасных алюминиевых порошков, таких как ПА, АКП, АПЖ, АПВ и др. Поэтому для использования в ПМ для повышения безопасности можно рекомендовать порошки после отсева фракций –50 мкм. Операцию отсева тонких фракций порошка следует осуществлять на заводах-производителях алюминиевых порошков во взрывобезопасных условиях.

Тенденция потребления по возможности более крупных алюминиевых порошков (крупностью 0,5–1,5 мм) наблюдается как у отечественных, так и у зарубежных потребителей. В 2002–2005 гг. разработана специальная технология получения практически не содержащего пирофорных тонких фракций укрупненного порошка центробежным гранулированием с доизмельчением крупных фракций гранул.

В случаях, когда необходимо использовать порошки –50 мкм и тоньше, например при переработке БОАС, наличие герметичной аппаратуры с атмосферой защитного газа обязательно. Альтернативный способ – микрокапсулирование (флегматизация) или гранулирование порошков и пылей.

Флегматизация производится непосредственно в технологической цепи при выгрузке порошка с использованием в качестве связующего, например, кремнийорганической связки. Эта связка впоследствии легко разлагается и испаряется при нагревании, практически не загрязняя порошок продуктами своего разложения. Флегматизированный порошок взрывобезопасен.

Гранулирование (комкование порошков) можно осуществить стандартными методами на стандартном оборудовании. Для этих целей вполне подходят связующие, широко применяемые в промышленности при гранулировании порошковых материалов: КМЦ (карбоксиметилцеллюлоза), КБТ (концентрат сульфитно-дрожжевой бражки), клей ПВА (поливинилацетат), латекс и др. Гранулирование легко осуществляется на грануляторе тарельчатого типа, в барабанном грануляторе, а также в экструдере или брикетировочном прессе.

2. Аппаратурные проблемы в ПМ алюминиевых сплавов

Существующие мощности по производству алюминиевых порошков значительно превышают производственные мощности по изготовлению готовых прессованных изделий. Вместе с тем до сих пор не решены вопросы технологии, создания и серийного изготовления специализированной аппаратуры для дегазации, спекания, брикетирования и компактирования порошков в условиях многотоннажного производства конструкционных БОАС. Оборудование прессования и прокатки порошков железа и меди может использоваться в ПМ алюминия весьма ограниченно, так как не обеспечивает требования “борьбы” с химически не восстанавливаемой барьерной оксидной пленкой на частицах алюминия. Необходимо дальнейшее развитие технологии деформации брикетов и заготовок, полученных из алюминиевых порошков.

Следует отметить необходимость создания специального оборудования для термообработки порошков (особенно порошков пересыщенных БОАС с неравновесной и тем более аморфной структурой) перед их компактированием. Обычные технологии ПМ (“холодное прессование” или “нагрев – горячее прессование”) для порошков с уникальными свойствами малоприменимы, поскольку чреваты потерей большинства этих свойств. Существующая практика использования технологических стаканов, имитирующих слиток, для дегазации и нагревания засыпанных в них порошков приводит к необходимости увеличения времени нагревания, к неоправданному окислению порошков, к релаксации их структуры. Время прогревания технологического стакана с засыпкой порошка в 2–3 раза больше, чем слитка того же размера, и иногда составляет десятки часов, при этом порошок верхней части засыпки может окисляться продуктами дегазации и дегидратации нижнего слоя.

Для сохранения структуры БОАС пластическую обработку порошков необходимо проводить в бездиффузионном режиме. Нагревание их целесообразно во взвешенном состоянии, желательно со скоростями, приближенными к скорости охлаждения – 105–107 К/с. Для этого можно использовать пневмотранспорт нагретым газом с большой скоростью по горячему материалопроводу (Т ≥ 400 °С), при необходимости совмещающий нагревание с термохимической обработкой поверхности порошка. После оседания порошка в пресс-форме требуется немедленное проведение высокоскоростного прессования или экструзии, после чего необходимо осуществить быструю закалку изделия для фиксации полученной структуры. Только такой режим обработки позволит сохранить ценные свойства аморфных или нанокристаллических материалов.

Создание единого технологического процесса производства материалов методами ПМ, включающего производство порошков, полуфабрикатов и деталей, желательно, но трудно осуществимо в настоящее время из-за большого различия технологии, оборудования, метрологического контроля, инфраструктуры производства и компактирования порошков, а также из-за разнообразия номенклатуры изделий и взрывоопасности порошков. Вместе с тем транспортирование порошка между предприятиями приводит к его сегрегации по крупности, что для сплавов равнозначно сегрегации по структуре.

Порошки после транспортирования перед прессованием приходится усреднять в смесителях. Во избежание этого целесообразно применять метод ПМ для изготовления не деталей, а полуфабрикатов-брикетов или заготовок, близких по габаритам и конфигурации к готовым деталям. Первичное компактирование можно осуществлять в цехах производителей порошков при помощи гидростатов. Калибровка или механическая обработка таких заготовок на порошковых или обрабатывающих предприятиях позволит сочетать преимущества ПМ и других методов обработки металлов.

Для порошковой металлургии российские заводы могут выпускать в промышленных объемах в основном пять видов порошковой продукции из алюминия и его сплавов.

  1. Пудра АПС – алюминиевая пудра (порошок) для спекания, представляющая собой дисперсно-упрочненный теплопрочный композиционный материал (КМ) системы Al/Al2O3; применяется при производстве материалов САП для ядерной энергетики и других областей техники.
  2. Порошки алюминиево-кремниевых сплавов типа САС-1, содержащие 25–30 % Si и 5–7 % Ni, нашли широкое применение в прецизионном приборостроении. Материал имеет низкий ТКЛР, близкий к стали – (12–14)10–6 К–1, высокий уровень прочности и твердости, сохраняющийся при температурах до 400 °С.
  3. Порошки сложнолегированных сплавов ПАС-80 (система Al–Ni–Zr–Mo) обладают высокими коррозионной устойчивостью и эксплуатационными свойствами.
  4. Порошки алюминия высокой чистоты (ПАВЧ) применяются для производства оксидно-полупроводниковых объемно-пористых конденсаторов (при этом используются полупроводниковые свойства оксидной пленки на частицах) и для производства высокочистого α-Al2O3.
  5. Порошки марок ПА, АКП из алюминия технической чистоты применяются при получении сталеалюминиевой проволоки, ряда электротехнических и радиотехнических деталей и т. п.

Изделия из пудр АПС (САП) после 1992 г. в Российской Федерации не производились, соответственно не выпускались и эти порошки.

Порошковая металлургия алюминия и его сплавов делится на следующие направления:

  • спеченный алюминиевый порошок и пудра,
  • конструкционные спеченные алюминиевые сплавы (высокой, средней и пониженной прочности),
  • жаропрочные спеченные алюминиевые сплавы, сплавы со специальными свойствами, коррозионностойкие спеченные сплавы, гранульные сплавы,
  • композиционные порошковые материалы, пеноалюминий.

3. Примеры промышленного внедрения ПМ алюминия в России

Первый промышленный композиционный материал на основе алюминия – АПС. Производится он методом размола с одновременным дозированным окислением (см. разд. 1.5, табл. 1.4). АПС используется для производства САП (спеченная алюминиевая пудра).

Структура САП представляет собой алюминиевую матрицу с включенными в нее равномерно распределенными чешуйками оксида алюминия. При увеличении содержания оксида алюминия прочность и предел текучести повышаются, достигая максимума, и далее снижаются.

Производство полуфабрикатов из САП осуществляют по стандартной для ПМ технологии: брикетирование, спекание, обработка давлением (прессование, прокатка).

Из САП производят поковки, штамповки, трубы, проволоку, фольгу. Штамповки и поковки можно получить непосредственно из брикета, исключая операцию прессования прутка.

Типичные механические свойства полуфабрикатов из САП представлены в табл. 13.

Материал САП характеризуется высокой коррозионной стойкостью, практически равной коррозионной стойкости чистого алюминия, и отсутствием склонности к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением.

САП – один из наиболее жаропрочных алюминиевых материалов, применяемых для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах и обладающих высокой коррозионной стойкостью. САП может быть использован при изготовлении лопаток для газовых турбин, поршней форсированных двигателей, поршневых штоков и других деталей, работающих в условиях повышенных до 500 С температур. Благодаря хорошей способности поглощать нейтроны, высокой теплопроводности и коррозионной стойкости изделия из САП нашли применение в атомных реакторах.

Конструкционные спеченные алюминиевые сплавы. Их основная характеристика – прочность, поэтому получению из них высокопрочных сплавов уделяется повышенное внимание. К ним относятся сплавы, которые (в том числе и после термической обработки) имеют значительно более высокие прочностные характеристики по сравнению с обычными алюминиевыми сплавами. Характерные особенности таких сплавов – высокие пределы прочности и текучести, высокая твердость и износостойкость.

Таблица 13

Механические свойства полуфабрикатов из САП

ПорошокСодержание Al2O3, %Марка САПВид полуфабрикатаТемпература испытаний, оСσВ, МПаσ0,2,

МПа

δ, %НВ,

МПа

АПС-16–8САП-1Прутки и полосы20

200

500

260–300

180–200

50–70

20–240

150–170

50–60

8–12

4–8

2–6

850
Листы 1,5 мм20

200

500

320–340

170–200

30–40

280–300

3–4

10–12

6–8

АПС-29–12САП-2Прутки и полосы20

200

500

320–360

220–260

80–90

210–250

180–200

80–90

6–8

4–6

2–3

1000
АПС-313–17САП-3Прутки и полосы20

200

500

380–450

260–320

100–120

320–360

240–260

80–100

3–6

4–7

2–4

1200
Штамповка20

350

500

370–390

120–130

70–80

320–330

100–110

50–60

6

8

6

1100

Наиболее перспективны сплавы системы Al–Zn–Mg–Cu. Легирование порошковых сплавов этой системы переходными металлами (Mn, Cr, Zr, Ti и др.) позволяет дополнительно повысить уровень их прочности в отдельных случаях до 750–850 МПа.

Промышленный порошковый сплав ПВ90 (система Al–Zn–Mg–Cu) превосходит по прочности все существующие серийные алюминиевые сплавы. Механические свойства полуфабрикатов из этого сплава после термической обработки представлены в табл. 14.

Температура рекристаллизации полуфабрикатов из сплава ПВ90 благодаря наличию оксидных включений и высокому содержанию переходных металлов превышает температуру рекристаллизации всех деформируемых высокопрочных алюминиевых сплавов. Для горячедеформированных полуфабрикатов температура окончания рекристаллизации выше температуры равновесного солидуса (483 °С).

Таблица 14

Механические свойства полуфабрикатов из сплава ПВ90

Вид полуфабрикатаσВ, МПаσ0,2, МПаδ, %Ψ, %KCV

· 10-5,

кДж/м2

KCТ

· 10-5,

кДж/м2

Пруток диаметром ≤ 70 мм730–800

660–700

700–760

570–610

6–10

10–13

12–18

17–22

70–110

60–80

130–160

Пруток диаметром ≤ 300 мм700–770

640–660

650–710

590–620

5–8

10–12

10–14

18–20

60–80

40–60

Штамповка710–780

650–680

620–640

600–620

4–6

10–12

10–12

16–21

60–80

50–60

120–160

Лист толщиной ≤ 2,0 мм680–720

600–620

590–640

540–580

9–12

12–14

2

60–90

35–45

90–160

Примечание. KCV – ударная вязкость; КСТ – удельная работа образца с трещиной; режим Т1 – закалка + естественное старение; режим Т2 – закалка + искусственное старение.

Перспективны порошковые высокомодульные сплавы системы Al–Mg–Li, обладающие пониженной плотностью и высокой прочностью. Введение Mg и Li в алюминий позволило получить материал с пониженной на 11 % по сравнению со сплавом типа Д16 плотностью (2,47–2,5 г/см3) и повышенным модулем упругости.

Свойства порошковых сплавов с литием представлены в табл. 15.

Таблица 15

Механические свойства высокомодульных порошковых сплавов с литием

Химический состав сплава, мас. %σВ, МПаσ0,2,

МПа

δ, %Модуль упругости, МПаПлотность, г/см3
Al–3,4Cu–3,2Li–1,1Mg–0,6Mn5835715,1850002,52
Al–3Li–2Cu–0,2Zr4814232,92,50
Al–3Li–1,5Mn5774463,02,50
Al–3Li–1,3Mn (слиток)3733421,4800002,50

Порошковые жаропрочные сплавы. Жаропрочность – способность материалов сопротивляться деформированию и разрушению под воздействием механических нагрузок при высокой температуре. Для алюминиевых сплавов эта температура находится в интервале 200–400 °С.

Кроме САП в качестве жаропрочного конструкционного материала используется порошковый сплав СПАК-4, созданный на основе порошка сплава АКЧ-1 (мас. %): Al–0,35 Si–(0,8–1,4) Fe–(1,9–2,5) Cu–(1,2–1,8) Mg–(0,8–1,4) Ni. СПАК-4 характеризуется высокой технологической пластичностью и может деформироваться прессованием, прокаткой, штамповкой и ковкой. Благодаря высоким прочностным характеристикам как при 20, так и при 350 °С, СПАК – прекрасный материал для поршневых двигателей, длительно работающих на форсированных режимах. Этот сплав предназначен для замены более дорогостоящих и тяжелых титановых сплавов в авиакосмической технике. Рабочая температура сплава на 200–220 °С выше, чем серийных алюминиевых сплавов, т. е. достигает примерно 340 °С.

Сплавы с низким ТКЛР. Для ряда отраслей промышленности (приборостроение, машиностроение, авиастроение и др.) требуются материалы с низкой плотностью (≤ 3,0 г/см3) и ТКЛР, близким к стали (≤ 13·10–6 К–1).

В табл. 16 приведены химический состав и типичные физикомеханические свойства отечественных спеченных алюминиевых сплавов с низким ТКЛР.

Таблица 16

Физико-химические свойства спеченных алюминиевых сплавов с низким ТКЛР

СплавХимический состав, сплава, мас. %Физические свойстваМеханические свойства
Плотность, г/см3λ·10–6, К–1σВ, МПаδ, %
САС-1-400Al–(25–30) Si–(5–7) Ni2,7314,5–15,5240–3501,0–4,5
САС-1-50Al–(25–30) Si–(5–7) Ni2,7314,0–15,0260–4000,5–2,5
КСП-1585 САС-1-50–15 Si3N42,5012,7–13,0280–3001,0–1,2
САС-2Al–(25–30) Si–(5–7) Fe2,7315,0–16,02400,9
САС-3Al–(25–30) Si–(3–5) Cr2,7215,0–16,02800,5
САС-4Al–(10–15) Si–(15–25) SiC2,7816,0–17,02305,0

Кроме прецизионного авиакосмического приборостроения эти материалы применяются в производстве деталей видеотехники и для двигателей внутреннего сгорания.

Порошки алюминия высокой чистоты (ПАВЧ) требуются для ряда важных отраслей промышленности, в частности, для электронной (при изготовлении изделий методами порошковой металлургии), химической (для получения веществ особой чистоты, например, нитридов алюминия, бемита), черной металлургии (при получении высокочистых металлов и сплавов) и т. д.

ВАМИ совместно с ВгАЗом разработана и освоена технология получения ПАВЧ методом пульверизации расплавленного алюминия высокой чистоты марки А995 по ГОСТ 11069–2001 с сухим улавливанием продуктов распыления. Для уменьшения степени загрязнения металла в процессе распыления используются специальные оборудование и технологические приемы. Тигель для расплава и форсунка изготавливаются из специальных материалов, распыление производится при определенных технологических параметрах.

ПАВЧ успешно используют в промышленном производстве оксиднополупроводниковых объемно-пористых конденсаторов. Прессованием и спеканием порошков формируется пористый анод с развитой внутренней поверхностью, поверхность частиц покрыта собственным слоем диэлектрика (Al2O3). После заполнения электролитом получают компактный (диаметром 3–10 мм) конденсатор с высокой емкостью. Конденсаторы типа К-53-1 из алюминиевых порошков заменяют конденсаторы из порошка тантала, поскольку значительно дешевле их.

ПАВЧ используется для создания коллекторных электродов в новых типах ионисторов типа К-58-4 – перспективных источников тока с неограниченным количеством циклов в режиме зарядка– разрядка.

ПАВЧ применяют в электронике в качестве токопроводящего наполнителя в клеях и проводниковых пастах. Например, сферический алюминиевый порошок крупностью менее 20 мкм входит в состав толстопленочных проводников при изготовлении солнечных кремниевых батарей. Это подробно изложено в разд. 7.

Тонкодисперсные ПАВЧ с удельной поверхностью не более 0,3 м2/г используют при производстве ряда промышленных типов позисторов (терморезисторов с положительным коэффициентом сопротивления). Их применяют для создания контактов на поверхности терморезисторов и наносят в виде водной пасты с добавками ортофосфорной кислоты и оксидов магния и хрома. Нанесенный слой пасты обрабатывают при температуре 600–700 °С.

Резюмируя изложенное выше, можно отметить, что анализ состояния техники, технологии, научной базы и экономических аспектов ПМ алюминия позволяет утверждать, что с выходом экономики страны из кризиса появляется обширный рынок потребителей ее продукции и алюминиевых порошковых материалов со специфическими свойствами.

Получение изделий со средним уровнем свойств можно организовать на базе серийных порошков нелегированного алюминия.

Для производства изделий из быстроохлажденных и механолегированных сплавов целесообразно наладить малотоннажный выпуск порошков с использованием плавильных агрегатов малой емкости.

Осуществление полного цикла ПМ сопряжено с формированием громоздкой инфраструктуры прессования, термообработки, контроля микроструктур, специфических свойств разных изделий и полуфабрикатов. Поэтому в условиях рыночной экономики целесообразно брикетирование порошков осуществлять непосредственно на порошковом предприятии, а выпуск проката и экструдированных полуфабрикатов – на заводах обработки металла давлением. Научная задача дальнейшего развития ПМ алюминия – совершенствование приемов сверхбыстрого охлаждения металлических расплавов с целью достижения нанокристаллической или аморфной структуры сплавов. Повышение мелкокристалличности сплавов в результате увеличения скорости их охлаждения до сих пор стабильно обеспечивало повышение их механической прочности.

Необходимо разработать новые приемы компактирования быстроохлажденных порошков с целью сохранения достигнутого структурного состояния материала, уменьшения газосодержания и пористости порошков перед прессованием.

Проблемы, стоящие перед порошковой металлургией алюминия, скорее относятся к области промышленной реализации, чем к научной и технологической разработке. На оборудовании производства медных или стальных порошковых изделий с использованием специальных печей для спекания алюминиевого порошка можно организовать массовое получение изделий из него.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *