RO127410B1

RO127410B1 - Process for preparing composites with oriented properties and composite product obtained thereby

Info

Publication number: RO127410B1
Application number: ROA201001003A
Authority: RO
Inventors: Dăian-Horaţiu Lungu; Ioan Radu Vasiu; Francisc Gnandt
Original assignee: Icpt Tehnomag Cug S.A.
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2017-08-30
Also published as: RO127410A2

Abstract

The invention relates to composite materials with oriented properties and to a process for preparing said composites which are intended to be used for replacing steel, bronze and brass in the process of manufacturing machine parts, such as bushings, discs or toothed wheels, due to their increased wear and oxidation resistance and their capacity of functioning at temperatures of up to 1000°C. According to the invention, the composite materials comprise an amount of 91...50% oxidic ceramic materials and metal carbides as powders which represent the composite matrix, an amount of 8...48.5% steel powder or fibres with a Length/Diameter ratio < 20, as a reinforcing material, together with 1...1.5% zinc stearate or paraffin, where the composite materials have the following properties: density ρ = 2740...3000 kg/m, compactness C = 84...96%, porosity P = 4...16% and gravimetric wear ranging between 0.09...0.11 g. The process claimed by the invention consists of an oriented arrangement of steel powders and fibres contained within the matrix by applying thereto a magnetic field generated by a coil supplied from a D.C source and comprises the following operation sequence: filling of the mould (), application of the magnetic field and vibration (), compaction () at pressures ranging between 400...600 MPa by unilateral, bilateral, isostatic pressing or by vibration pressing, extraction of the compacted material (), sintering it under nitrogen atmosphere or under vacuum, at a temperature of 400°C to eliminate the lubricants, the last operation consisting in increasing the temperature up to T = 1050...1100°C and maintaining it for 1.5...3 h.

Description

Invenția se referă la procedeul de obținere a unui material compozit cu proprietăți dirijate, și la un material compozit cu proprietăți dirijate, rezultat ca urmare a utilizării acestui procedeu.The invention relates to the process of obtaining a composite material with controlled properties, and to a composite material with directed properties, resulting from the use of this process.

Se definesc ca materiale compozite cu proprietăți dirijate acele materiale care sunt constituite dintr-o matrice formată din materiale oxidice, carburi metalice, materiale de armare fiind pulberile sau fibrele scurte de oțel. Prin orientarea în câmp magnetic a materialelor metalice de armare în timpul procesării, se controlează orientarea acestora, respectiv, și proprietățile produsului rezultat. Procedeul permite realizarea organelor de mașini din compozite cu proprietăți dirijate, în regim de productivitate ridicată, obținându-se produse finite, care nu mai necesită prelucrări ulterioare. Duritatea și tenacitatea sunt asigurate de materialele oxidice și carburile metalice care intră în componența compozitului, iar elasticitatea - de materialele metalice, prin controlul dozării și modul de înglobare în matricea metalică a particulelor ceramice.They are defined as composite materials with steered properties those materials that consist of a matrix consisting of oxide materials, metal carbides, reinforcing materials being powders or short steel fibers. By orienting in the magnetic field of the reinforcing metal materials during the processing, their orientation is controlled, respectively, and the properties of the resulting product. The process allows the realization of the organs of machines of composites with directed properties, in high productivity regime, obtaining finished products, which no longer require further processing. Hardness and toughness are ensured by the oxide materials and the metal carbides that enter the composition of the composite, and the elasticity - by the metallic materials, through the control of the dosage and the way of incorporation in the metallic matrix of the ceramic particles.

Este cunoscut, din documentul JPS 60169549 (A), un procedeu de obținere a unui material compozit rezistent la coroziune, cuprinzând o fază de realizare a unui amestec deIt is known, from JPS document 60169549 (A), a process for obtaining a corrosion-resistant composite material, comprising a phase of making a mixture of

50.. .90% pulbere de oțel cu 10...50% pulbere durificatoare, din carburi, boruri, nitruri, siliciuri, oxizi sau cermeți, omogenizarea amestecului, presurizarea lui la 3...10 t/cm² și sinterizare la 1200...1400°C, iar documentul JPH 333063 (A) prezintă un procedeu de obținere a unui material compozit obținut prin amestecarea unei pulberi metalice cu fibre metalice din oțel de sub 0,5 mm diametru și minimum 1 mm lungime, și cu pulbere carbonică, fibrele din oțel fiind orientate în timpul omogenizării în câmp magnetic, amestecul obținut fiind presat și încălzit în atmosferă protectoare de azot, pentru formarea de carburi metalice și a compozitului final.50 .. .90% steel powder with 10 ... 50% hardening powder, from carbide, boron, nitride, silicon, oxides or cermets, homogenizing the mixture, pressurizing it at 3 ... 10 t / cm ² and sintering at 1200 ... 1400 ° C, and document JPH 333063 (A) shows a process for obtaining a composite material obtained by mixing a metal powder with steel fibers of steel less than 0.5 mm in diameter and at least 1 mm long, and with carbon powder, the steel fibers being oriented during the homogenization in magnetic field, the obtained mixture being pressed and heated in a protective atmosphere of nitrogen, for the formation of metallic carbides and of the final composite.

De asemenea, documentul JP 2004359990 (A) prezintă un procedeu de producere a unui compozit cu matrice metalică din amestec de fibre ceramice și pulbere de metal magnetic, dispunerea și presurizarea amestecului în formă vibrată în câmp magnetic, pentru orientarea concentrică a fibrelor ceramice, apoi presarea la cald a compactului, și sinterizarea acestuia.Also, document JP 2004359990 (A) shows a process for producing a composite with a metallic matrix of ceramic fiber and magnetic metal powder, arranging and pressurizing the mixture in a vibrated form in a magnetic field, for concentric orientation of the ceramic fibers, and then hot pressing of the compact, and sintering it.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în obținerea unui material compozit rezistent la uzură și la temperaturi ridicate, și cu rezistență la rupere ridicată, după o direcție prestabilită.The technical problem solved by the invention consists in obtaining a composite material resistant to wear and high temperatures, and with high rupture resistance, in a predetermined direction.

Procedeul conform invenției, de obținere a unui compozit cu proprietăți dirijate, rezolvă această problemă tehnică prin aceea că materiile prime utilizate sunt pulberile și fibrele L/D de oțel și pulberi de materiale oxidice sau carburi metalice, procedeul fiind realizat prin etapele de: realizare a unui amestec din 50...91% pulbere de materiale ceramice sau carburi metalice, 8...48,5% pulbere și fibre din oțel și 1...1,5% lubrifiant, omogenizarea amestecului și umplerea cu amestec a matriței de producere a compozitului, și apoi compactarea amestecului și sinterizarea compactului obținut prin încălzire la temperatură înaltă, deThe process according to the invention, for obtaining a composite with directed properties, solves this technical problem by the fact that the raw materials used are the powders and fibers L / D of steel and powders of oxide materials or metallic carbides, the process being realized through the steps of: to a mixture of 50 ... 91% powder of ceramic materials or metal carbides, 8 ... 48.5% powder and steel fibers and 1 ... 1.5% lubricant, homogenizing the mixture and filling the mixture with the mixture production of the composite, and then compaction of the mixture and sintering of the compact obtained by heating at high temperature, by

1050.. .1100°C, cu menținere timp de 1,5...3 h, fibrele din oțel fiind orientate în matrița deformare a compactului după direcția unui câmp magnetic generat de o bobină alimentată electric de la o sursă de curent continuu, și aplicat simultan cu vibrarea amestecului care este apoi compactat la 400...600 Mpa, prin presare izostatică sau vibratorie, și sinterizat.1050 .. .1100 ° C, maintaining for 1.5 ... 3 h, the steel fibers being oriented in the deformation matrix of the compact in the direction of a magnetic field generated by a coil electrically supplied from a DC source, and applied simultaneously with the vibration of the mixture which is then compacted to 400 ... 600 Mpa, by isostatic or vibrational pressing, and sintered.

Compozitul cu proprietăți dirijate obținut îmbină proprietățile materialelor ceramice sau carburilor (rezistență la oxidare și duritate) cu proprietățile pulberilor și fibrelor L/D de oțel (ductilitate), prezentând proprietăți de rezistență la uzură gravimetrică și temperaturi de funcționare superioare oțelurilor, bronzurilor sau alamelor, și având: densitatea: p = 2740...3000 kg/m³, compactitatea C = 84...96%, porozitatea P = 4...16%, uzura gravimetrică între valorile 0,09...0,11 g, rezistența la compresiune: Rc = 93,51 ...152,7 N/mm² și temperatura de utilizare a compozitului: T_f = max. 1000°C.The composite with obtained properties combines the properties of ceramic or carbide materials (resistance to oxidation and hardness) with properties of powders and fibers L / D of steel (ductility), having properties of resistance to gravimetric wear and operating temperatures higher than steel, bronze, bronze. and having: density: p = 2740 ... 3000 kg / m ³ , compactness C = 84 ... 96%, porosity P = 4 ... 16%, gravimetric wear between values 0.09 ... 0.11 g, the compressive strength: Rc = 93.51 ... 152.7 N / mm ² and the temperature of use of the composite: T _f = max. 1000 ° C.

RO 127410 Β1RO 127410 Β1

Invenția prezintă avantajul că permite obținerea unui material compozit rezistent la 1 uzură și la temperaturi ridicate, și cu rezistență la rupere ridicată, după o direcție prestabilită.The invention has the advantage that it allows to obtain a composite material resistant to 1 wear and high temperatures, and with high tear resistance, according to a predetermined direction.

Invenția este prezentată pe larg în continuare, în legătură și cu figura ce prezintă 3 schema procedeului de obținere a unui compozit cu proprietăți dirijate, conform invenției.The invention is presented in detail below, in connection with the figure showing the diagram of the process for obtaining a composite with controlled properties, according to the invention.

Procedeul de realizare a compozitelor cu proprietăți dirijate implică prelucrarea 5 materialelor pulverulente prin procedee specifice metalurgiei pulberilor, până în faza de produs finit compozit, cu proprietăți dirijate. 7The process of producing composites with directed properties involves the processing of 5 powdery materials by processes specific to the metallurgy of powders, up to the phase of finished composite product, with directed properties. 7

Se parcurg următoarele etape (figură):The following steps are performed (figure):

a) dozarea în proporții gravimetrice a celor două componente: pulbere de aluminiu 9 cu granulația sub 200 pm, și pulberi ceramice oxidice sau pulberi de carburi, și pulberi sau fibre de oțel L/D < 20 (L/D fiind raportul lungime diametru), într-un omogenizator 1. Conținutul 11 de pulbere de materiale ceramice sau carburi metalice în amestec trebuie să fie de 91 ...50%. Această cerință este necesară pentru obținerea rezistenței la uzură a materialului compozit. 13 Conținutul de pulbere de oțel sau fibre L/D de oțel trebuie să fie de 8...48,5%, pentru ca materialul compozit să prezinte proprietăți de conductivitate termică și ductilitate. Dacă este 15 necesar, se poate adăuga stearat de zinc sau parafină în proporții de 1 ...1,5%, ca lubrifiant, în scopul micșorării coeficientului de frecare între particule și între particule și matriță; 17a) the dosage in gravimetric proportions of the two components: aluminum powder 9 with a granulation below 200 pm, and oxide ceramic powders or carbide powders, and steel powders or fibers L / D <20 (L / D being the diameter length ratio) , in a homogenizer 1. The powder 11 content of ceramic materials or metal carbides in the mixture must be 91 ... 50%. This requirement is required for the wear resistance of the composite material. 13 The powder content of steel or steel L / D fibers must be 8 ... 48.5%, for the composite material to have thermal conductivity and ductility properties. If necessary, zinc or paraffin stearate may be added in proportions of 1 ... 1.5%, as a lubricant, in order to reduce the coefficient of friction between particles and between particles and the mold; 17

b) alimentarea matriței cu materialul pulverulent rezultatîn urma omogenizării se face gravimetric, urmărindu-se umplerea completă a cavității matriței 2; 19b) the filling of the mold with the powdered material resulting from the homogenization is done gravimetrically, following the complete filling of the cavity of the mold 2; 19

c) înaintea realizării compactării, se aplică materialelor pulverulente un câmp magnetic, prin intermediul unei bobine conectată, prin intermediul întrerupătorului K, la o sursă 21 de curent continuu Ucc, în scopul orientării pulberilor sau fibrelor L/D de oțel pe lungimea formei. 23 în paralel cu această operație, se realizează și o vibrare ce are ca scop diminuarea forțelor de frecare intergranulare 3, 4. Câmpul magnetic este menținut și în timpul presării; 25c) before compaction, a magnetic field is applied to the powder materials by means of a coil connected, via the switch K, to a DC source 21 Ucc, for the purpose of orienting steel powders or fibers L / D along the length of the shape. 23 in parallel with this operation, a vibration is also performed which aims to reduce the intergranular friction forces 3, 4. The magnetic field is also maintained during pressing; 25

d) compactarea printr-un procedeu de compactare: presare unilaterală, bilaterală, izostatică sau vibropresare. Compactarea se realizează la presiuni de 400...600 MPa (4), 27 fiind urmată de extracția compactului din matriță (5);d) compaction through a compaction process: unilateral, bilateral, isostatic or vibrational pressing. The compaction is performed at pressures of 400 ... 600 MPa (4), 27 followed by the extraction of the compact from the mold (5);

e) sinterizarea, care se face în atmosferă de azot, argon sau vid. Regimul de sinteri- 29 zare presupune o încălzire a materialului, rezultat în urma compactării, la temperatura de 400°C, pentru eliminarea din masa compozitului a lubrifianților. După eliminarea completă 31 a lubrifianților, se procedează la creșterea temperaturii la T = 1050...1100°C și menținerea la această temperatură timp de 1,5...3 h. 33 în urma procesării aluminiului și bazaltului prin procedeele specifice metalurgiei pulberilor, se obțin materiale compozite cu proprietăți dirijate, cu caracteristicile: densități 35 p = 2740...3000 kg/m³, compactități C = 84...96% și porozități P = 4...16%, uzuri gravimetrice cu valorile 0,09...0,11 g, rezistență la compresiune Rc = 93,51 ...152,7 N/mm², și temperatură 37 de funcționare a compozitelor cu proprietăți dirijate: T_f = max. 1000°C.e) sintering, which is carried out in an atmosphere of nitrogen, argon or vacuum. The sintering regime 29 involves a heating of the material, resulting from the compaction, at a temperature of 400 ° C, in order to remove lubricants from the mass of the composite. After the complete elimination 31 of the lubricants, proceed to increase the temperature at T = 1050 ... 1100 ° C and maintain at this temperature for 1.5 ... 3 h. 33 after processing the aluminum and the basalt by the processes specific to the metallurgy of the powders , we obtain composite materials with directed properties, with the characteristics: densities 35 p = 2740 ... 3000 kg / m ³ , compactities C = 84 ... 96% and porosity P = 4 ... 16%, gravimetric wear with values 0.09 ... 0.11 g, compressive strength Rc = 93.51 ... 152.7 N / mm ² , and operating temperature of 37 composites with directed properties: T _f = max. 1000 ° C.

Claims

1. Process for obtaining a composite material with directed properties, comprising the steps: to make a mixture of steel powder and powder of ceramic materials or metallic carbides, homogenizing the mixture and filling the mixture to produce the composite, and then compacting. mixing and sintering of the obtained compact, by heating at high temperature, characterized in that the composite forming mixture contains: 50 ... 91% powder of ceramic materials or metallic carbides, 8 ... 48,5% powder and steel fibers and 1 ... 1,5% lubricant, the steel fibers being oriented in the mold of the compact according to the direction of a magnetic field generated by a coil electrically supplied from a DC source, simultaneously with the vibration of the mixture which is then compacted to 400 ... 600 Mpa, by isostatic or vibrational pressing, the resulting compact being sintered in a nitrogen atmosphere or in vacuum, by heating to about 400 ° C, to remove the lubricant, and then at 1050 ... 1100 ° C, maintaining for 1.5 ... 3 h.

2. Composite material with steered properties, resistant to wear and high temperatures, consisting of a sintered mixture of steel powder and powder of ceramic materials or metal carbides, characterized in that it will contain 50 ... 91% powder of ceramic materials or metallic carbides, and in the rest powder and steel fibers oriented in a predetermined direction, of maximum resistance of the composite, and has a density of 2740 ... 3000 kg / m ³ , compactness: C = 84 ... 96%, porosity P = 4 ... 16%, gravimetric wear: 0.09 ... 0.11 g, compressive strength: Rc = 93.51 ... 152.7 N / mm ² and operating temperature: Tf = max . 1000 ° C.