PL216505B1 - Kompozytowy materiał metalowo-ceramiczny oraz sposób jego otrzymywania - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest kompozytowy materiał metalowo-ceramiczny, w którym zarówno faza metalowa jak i faza ceramiczna są fazami ciągłymi w trzech kierunkach, otrzymywany przez infiltrację metalu do ceramiki piankowej otrzymanej metodą żelowania spienionej zawiesiny oraz sposób jego otrzymywania. Kompozytowy materiał metalowo-ceramiczny, którego faza ceramiczna jest fazą ciągłą w trzech kierunkach otrzymana metodą żelowania spienionej zawiesiny, posiadający przestrzenną strukturę wzajemnie przenikających się szkieletów fazy ceramicznej i fazy metalowej, charakteryzuje się tym, że stanowi go faza ceramiczna piankowa o porowatości otwartej 80 do 90% i rozmiarze sferycznych makroporów 200 do 500 µm oraz połączeń między porami o rozmiarze od 50 do 120 µm i faza metalowa, którą stanowi stop aluminium w ilości do 90% objętości kompozytowego materiału. Sposób wytwarzania wyżej wymienionego kompozytowego materiału metalowo-ceramicznego polega na tym, że do porowatej kształtki ceramicznej wytworzonej metodą żelowania spienionej zawiesiny, o porowatości w zakresie 80 do 90% i rozmiarze sferycznych makroporów 200 do 500 µm oraz połączeń miedzy porami o rozmiarze od 50 do 120 µm i wysokości do 50 mm wprowadza się, stosując infiltrację ciśnieniową, stop aluminium o czystości technicznej i temperaturze od 680°C do 740°C pod ciśnieniem nie przekraczającym 40 MPa w czasie od 1 do 3 minuty. Tak uzyskany kompozyt chłodzi się utrzymując go pod ciśnieniem od 2 do 4 MPa, z szybkością do 10°C/min do temperatury 450°C, po czym prowadzi się dalsze chłodzenie bez obciążenia do temperatury otoczenia. Proces infiltracji prowadzi się umieszczając kształtkę ceramiczną w kokili grafitowej podgrzanej do temperatury co najmniej 580°C, która utrzymywana jest w procesie infiltracji.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kompozytowy materiał metalowo-ceramiczny, w którym zarówno faza metalowa jak i faza ceramiczna są fazami ciągłymi w trzech kierunkach, otrzymywany przez infiltrację metalu do ceramiki piankowej otrzymanej metodą żelowania spienionej zawiesiny oraz sposób jego otrzymywania.

Poszukiwania nowych materiałów, zarówno konstrukcyjnych, jak i funkcjonalnych idą w kierunku łączenia ze sobą materiałów różniących się właściwościami mechanicznymi, fizycznymi i chemicznymi. Powstałe w ten sposób kompozyty posiadają właściwości nieosiągalne przez pojedyncze materiały. Głównym motywem intensywnych prac nad wytwarzaniem kompozytów metalowo-ceramicznych jest możliwość poprawy wybranych właściwości mechanicznych metalu stanowiącego podstawowy składnik kompozytu. Modyfikacja właściwości mechanicznych obejmuje najczęściej zwiększenie twardości i sztywności, odporności na zużycie przez tarcie oraz zmniejszenie pełzania w podwyższonej temperaturze.

Dotychczas produkowane są kompozyty metalowe zbrojone fazą ceramiczną w postaci cząstek lub włókien. W obrocie handlowym znajdują się materiały o osnowie aluminiowej zawierającej cząstki AI2O3, SiC lub SiO2 produkowane między innymi przez firmę Duralcan USA, Comral RPA, Landxide Austria. Materiały takie wykorzystywane są najczęściej w przemyśle motoryzacyjnym jako materiały tarcz hamulcowych bądź materiały tłoków lub silników spalinowych pracujących pod dużym obciążeniem. Firma Duralcan USA również odlewa precyzyjne części samolotowe ze stopów aluminium zawierających 20% obj. cząstek SiC. Jednak w kompozytach na osnowie metalowej wzmacnianej cząstkami ceramicznymi faza ceramiczna nie jest fazą ciągłą. Technologia kompozytów na osnowie stopów metali z cząstkami ceramicznymi jest złożona i najczęściej składa się z kilku etapów takich jak: przygotowanie ciekłego metalu, preparacja powierzchni cząstek ceramicznych, wytworzenie suspensji kompozytowej i odlewanie. W procesie tym może wystąpić zjawisko sedymentacji lub flotacji prowadzące do niejednorodnego rozmieszczenia cząstek ceramicznych w osnowie metalowej. Sposób wprowadzania fazy zbrojącej w postaci cząstek lub włókien do metalu osnowy znany z opisu patentowego USA 5228494 polega na wsypywaniu dyspersyjnej fazy zbrojącej bezpośrednio do intensywnie mieszanego metalu osnowy. W znanym z polskiego opisu patentowego nr 161122 sposobie otrzymywania kompozytów na osnowie aluminium i jego stopów w celu obniżenia napięcia powierzchniowego metalu osnowy dodaje się 1-2% magnezu.

Kompozytowy materiał metalowo-ceramiczny, którego faza ceramiczna jest fazą ciągłą w trzech kierunkach otrzymana metodą żelowania spienionej zawiesiny, posiadający przestrzenną strukturę wzajemnie przenikających się szkieletów fazy ceramicznej i fazy metalowej, zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że stanowi go faza ceramiczna piankowa o porowatości otwartej 80 do 90% i rozmiarze sferycznych makroporów 200 do 500 μm oraz połączeń między porami o rozmiarze od 50 do 120 μm i faza metalowa, którą stanowi stop aluminium w ilości do 90% objętości kompozytowego materiału.

Sposób wytwarzania wyżej wymienionego kompozytowego materiału metalowo-ceramicznego według wynalazku polega na tym, że do porowatej kształtki ceramicznej wytworzonej metodą żelowania spienionej zawiesiny, o porowatości w zakresie 80 do 90% i rozmiarze sferycznych makroporów 200 do 500 μm oraz połączeń między porami o rozmiarze od 50 do 120 μm i wysokości do 50 mm wprowadza się, stosując infiltrację ciśnieniową, stop aluminium o czystości technicznej i temperaturze od 680°C do 740°C pod ciśnieniem nie przekraczającym 40 MPa w czasie od 1 do 3 minuty. Tak uzyskany kompozyt chłodzi się utrzymując go pod ciśnieniem 4 MPa, z szybkością do 10°C/min do temperatury 450°C, po czym prowadzi się dalsze chłodzenie bez obciążenia do temperatury otoczenia. Proces infiltracji prowadzi się umieszczając kształtkę ceramiczną w kokili grafitowej podgrzanej do temperatury co najmniej 580°C, która utrzymywana jest w procesie infiltracji.

Kompozytowy materiał metalowo-ceramiczny otrzymany zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się równomierną strukturą w całej objętości, co jest bardzo trudne do uzyskania w dotychczas znanych kompozytach ziarnistych otrzymywanych przez wprowadzenie ziaren ceramicznych do roztopionego metalu. Jest to między innymi wynikiem tego, że w procesie wprowadzania ziaren ceramicznych do roztopionego metalu może wystąpić zjawisko sedymentacji prowadzące do niejednorodnego rozmieszczenia cząstek ceramicznych.

PL 216 505 B1

Przedmiot wynalazku przedstawiono w niżej opisanym przykładzie jego wykonania.

Pierwszy etap stanowi wytworzenie kształtek ceramicznych. 100,0 g tlenku glinu z dodatkiem 20,5 g wody i 0,4 g poliakrylanu amonowego miesza się w młynku kulowym przez 2 h, a następnie nie przerywając mieszania zawiesinę podgrzewa się do temperatury 60°C. Po osiągnięciu wymaganej temperatury do zawiesiny dodaje się 26,9 ml 2,8% wodnego roztworu agarozy i mieszanie kontynuuje się przez 30 min. Następnie do naczynia umieszczonego w łaźni wodnej o temperaturze 60°C przenosi się 70 ml zawiesiny, dodaje środek spieniający w ilości 0,3 ml i zawiesinę spienia się mikserem elektrycznym przy szybkości obrotowej 800 RPM. Objętość wytworzonej piany reguluje się czasem spieniania lub stężeniem środka powierzchniowo-czynnego. W zależności od objętości wytworzonej piany można otrzymywać kształtki o porowatości w zakresie 60-90%. Spienioną zawiesinę przelewa się do bezporowatych form wykonanych z tworzywa sztucznego i szybko umieszcza się je w łaźni wodnej z przepływającą zimną wodą wodociągową w celu szybkiego zżelowania piany. Surowe kształtki po wysuszeniu poddawane są procesowi spiekania w temperaturze 1550°C. Następnie wycina się kształtki o średnicy 20 mm i wysokości 50 mm.

W drugim etapie wykonania kompozytowego materiału ceramiczno-metalowego otrzymane w pierwszym etapie kształtki umieszcza się w kokili grafitowej, którą podgrzewa się do temperatury 580°C, a następnie wtłacza się stopiony w temperaturze 740°C stop AlMg5. Nasycenie metalem wykonuje się w prasie hydraulicznej Degusa. Maksymalne ciśnienie w procesie infiltracji nie przekraczało 40 MPa, a czas nasycania wynosił 3 minuty. Kompozyty chłodzono do temperatury otoczenia w dwóch etapach. Najpierw kompozyty pod naciskiem 4 MPa chłodzono z szybkością 10°C/min do temperatury 450°C przy użyciu chłodnicy wodnej. W drugim etapie zdjęto nacisk i próbki chłodzono swobodnie do temperatury otoczenia.

Obserwacje zgładów i przełomów kompozytu wykazały, że sferyczne makropory kształtki ceramicznej zostały całkowicie wypełnione metalem. Nie zaobserwowano spękań szkieletu ceramicznego. Porowatość kompozytu wynosiła 1%. Uzyskany kompozyt charakteryzował się większą twardością i większą odpornością na ścieranie w porównaniu z monolitycznym stopem AlMg5.

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. Kompozytowy materiał metalowo-ceramiczny, którego faza ceramiczna jest fazą ciągłą w trzech kierunkach otrzymaną metodą żelowania spienionej zawiesiny, posiadający przestrzenną strukturę wzajemnie przenikających się szkieletów fazy ceramicznej i fazy metalowej, znamienny tym, że stanowi go faza ceramiczna piankowa o porowatości otwartej 80 do 90% i rozmiarze sferycznych makroporów 200 do 500 μm oraz połączeń między porami o rozmiarze od 50 do 120 μm i faza metalowa, którą jest stop aluminium w ilości do 90% objętości kompozytowego materiału.

2. Sposób otrzymywania kompozytowego materiału metalowo-ceramicznego, znamienny tym, że do porowatej kształtki ceramicznej wytworzonej metodą żelowania spienionej zawiesiny o porowatości w zakresie od 80 do 90% i rozmiarze sferycznych makroporów 200 do 500 μm oraz połączeń między porami o rozmiarze od 50 do 120 μm i wysokości do 50 mm umieszczonej w grafitowej kokili podgrzanej do temperatury 580°C wprowadza się, stosując infiltrację ciśnieniową, stop aluminium o czystości technicznej i temperaturze od 680°C do 740°C pod ciśnieniem nie przekraczającym 40 MPa w czasie od 1 do 3 minut, po czym uzyskany kompozyt chłodzi się utrzymując go pod ciśnieniem 4 MPa z szybkością do 10°C/min do temperatury 450°C, a dalsze chłodzenie prowadzi się bez obciążenia do temperatury otoczenia.