RU2485195C1 - Method for obtaining metal matrix composite with nano-sized components - Google Patents
Method for obtaining metal matrix composite with nano-sized components Download PDFInfo
- Publication number
- RU2485195C1 RU2485195C1 RU2012110000/02A RU2012110000A RU2485195C1 RU 2485195 C1 RU2485195 C1 RU 2485195C1 RU 2012110000/02 A RU2012110000/02 A RU 2012110000/02A RU 2012110000 A RU2012110000 A RU 2012110000A RU 2485195 C1 RU2485195 C1 RU 2485195C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- composite
- cathode
- deformation
- matrix
- carbide
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к способам получения композиционных материалов с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами (наноразмерными компонентами).The invention relates to the field of nanotechnology, and in particular to methods for producing composite materials with a metal matrix and nanoscale reinforcing particles (nanoscale components).
Известен композиционный материал с медной матрицей и способ его получения с применением механического легирования (Kudashov, D.V. Microstructure Formations in Copper-Silicon Carbide Composites During Mechanical Alloying in a Planetary Activator / D.V.Kudashov, A.A.Aksenov, V.Klamm, U.Martin, H.Oettal, V.K.Portnoy, V.S.Zolotorevskii // Mat.-wiss. u. Werkstofftech. - 2000. - N 31. - P.1048-1055). Однако упрочняющие частицы имеют большой размер, а это не позволяет применить электролитическую очистку матрицы композита вследствие того, что при растворении композиционного анода частицы больших размеров осаждаются в гальванической ванне, и это не приводит к образованию композиционного материала на катоде.Known composite material with a copper matrix and a method for its production using mechanical alloying (Kudashov, DV Microstructure Formations in Copper-Silicon Carbide Composites During Mechanical Alloying in a Planetary Activator / DVKudashov, AAAksenov, V.Klamm, U. Martin, H. Oettal, VKPortnoy, VSZolotorevskii // Mat.-wiss. U. Werkstofftech. - 2000. - N 31. - P.1048-1055). However, the reinforcing particles are large, and this does not allow electrolytic cleaning of the composite matrix due to the fact that when the composite anode is dissolved, large particles are deposited in the plating bath, and this does not lead to the formation of the composite material on the cathode.
Наиболее близким техническим решением является способ получения металломатричного композита с наноразмерными компонентами (Попов В.А., Кобелев А.Г., Чернышев В.Н. Нанопорошки в производстве композитов. - М.: Интермет Инжиниринг, 2007. - 336 с.), включающий механическое легирование смеси исходных компонентов, состоящих из частиц матричного материала и упрочняющих частиц, и компактирование полученных при механическом легировании гранул. Однако в процессе проведения механического легирования происходит загрязнение матрицы композита, что не всегда может удовлетворить предъявляемым к композиту требованиям, так как приводит к снижению технических характеристик материала.The closest technical solution is a method for producing a metal matrix composite with nanosized components (Popov V.A., Kobelev A.G., Chernyshev V.N. Nanopowders in the production of composites. - M .: Intermet Engineering, 2007. - 336 p.), including mechanical alloying of a mixture of initial components consisting of matrix material particles and reinforcing particles, and compaction of granules obtained by mechanical alloying. However, in the process of mechanical alloying, the composite matrix is contaminated, which can not always satisfy the requirements for the composite, since it leads to a decrease in the technical characteristics of the material.
Задачей изобретения является повышение технических характеристик композиционного материала с наноразмерными упрочняющими частицами. Следует заметить, что загрязнение металла матрицы приводит к повышению электрического сопротивления композита (эта характеристика очень важна для композитов с медной, золотой и серебряной матрицами) и к снижению его пластических характеристик. В изобретении применен установленный факт возможности переноса наночастиц с анода на катод при электрохимическом процессе переноса материала с растворяемого анода на катод.The objective of the invention is to increase the technical characteristics of a composite material with nanoscale reinforcing particles. It should be noted that contamination of the matrix metal leads to an increase in the electrical resistance of the composite (this characteristic is very important for composites with copper, gold and silver matrices) and to a decrease in its plastic characteristics. The invention applied the established fact of the possibility of transferring nanoparticles from the anode to the cathode during the electrochemical process of transferring material from the dissolving anode to the cathode.
Поставленная задача достигается тем, что в способе получения металломатричного композита с наноразмерными компонентами, включающем механическое легирование смеси исходных компонентов, состоящих из частиц матричного материала и упрочняющих частиц, и компактирование полученных при механическом легировании гранул, для механического легирования применяют упрочняющие частицы с размером отдельной частицы менее 50 нм из ряда: наноалмазы, карбид кремния, карбид вольфрама, карбид бора, карбид циркония, оксид кремния, оксид алюминия, оксид циркония, нитрид титана, нитрид циркония, нитрид бора, при этом объемная доля упрочняющих частиц не превышает 60% и упрочняющих частиц в 1,05-4 раза больше, чем требуется в конечном металломатричном композите, а для матрицы применяют металл, который возможно электрохимическим способом переносить с растворимого анода на катод в гальванической ванне с электролитом из ряда: медь, никель, золото, серебро и др., при этом компактирование осуществляют для получения формы анодов и осуществляют электрохимическим способом перенос композиционного материала с анода на катод в гальванической ванне с электролитом.The problem is achieved in that in the method of producing a metal matrix composite with nanoscale components, including mechanical alloying of a mixture of the starting components consisting of matrix material particles and reinforcing particles, and compaction of the granules obtained by mechanical alloying, reinforcing particles with a single particle size of less than 50 nm from the series: nanodiamonds, silicon carbide, tungsten carbide, boron carbide, zirconium carbide, silicon oxide, alumina, cir conium, titanium nitride, zirconium nitride, boron nitride, while the volume fraction of the reinforcing particles does not exceed 60% and the reinforcing particles are 1.05-4 times more than that required in the final metal matrix composite, and a matrix is used for the matrix, which is possible by the electrochemical method transfer from a soluble anode to a cathode in a galvanic bath with an electrolyte from the series: copper, nickel, gold, silver, etc., while compaction is carried out to obtain the shape of the anodes and the composite material is transferred electrochemically and from the anode to the cathode in the plating bath with the electrolyte.
Поставленная задача может также достигаться тем, что для механического легирования дополнительно применяют еще как минимум один вид упрочняющих частиц.The task can also be achieved by the fact that for mechanical alloying, at least one more type of reinforcing particles is additionally used.
Поставленная задача может также достигаться тем, что после окончания переноса композиционного материала с растворимого анода на катод осуществляют его деформирование.The task can also be achieved by the fact that after the transfer of the composite material from the soluble anode to the cathode is completed, it is deformed.
Поставленная задача может также достигаться тем, что деформирование осуществляют методом экструзии с вытяжкой за один проход от 1,05 до 2, при этом в случае необходимости достижения большей вытяжки осуществляют термическую обработку при температуре (1,05-1,2) от температуры рекристаллизации материала матрицы в течение 0,5-6 часов, а после окончания деформирования проводят термическую обработку при температуре (0,5-0,95) от температуры рекристаллизации материала матрицы в течение 0,5-3 часов.The task can also be achieved in that the deformation is carried out by extrusion with a hood in one pass from 1.05 to 2, while if necessary, to achieve a larger hood, heat treatment is carried out at a temperature of (1.05-1.2) from the material recrystallization temperature matrix for 0.5-6 hours, and after the deformation is completed, heat treatment is carried out at a temperature of (0.5-0.95) from the temperature of recrystallization of the matrix material for 0.5-3 hours.
Поставленная задача может также достигаться тем, что деформирование осуществляют методом ковки с малой единичной степенью деформации.The task can also be achieved by the fact that the deformation is carried out by forging with a small unit degree of deformation.
Способ получения металломатричного композита с наноразмерными компонентами, включающий механическое легирование смеси исходных компонентов, состоящих из частиц матричного материала и упрочняющих частиц, и компактирование полученных при механическом легировании гранул, отличается тем, что для механического легирования применяют упрочняющие частицы с размером отдельной частицы менее 50 нм из ряда: наноалмазы, карбид кремния, карбид вольфрама, карбид бора, карбид циркония, оксид кремния, оксид алюминия, оксид циркония, нитрид титана, нитрид циркония, нитрид бора, при этом объемная доля упрочняющих частиц не превышает 60% и упрочняющих частиц в 1,05-4 раза больше, чем требуется в конечном металломатричном композите, а для матрицы применяют металл, который возможно электрохимическим способом переносить с растворимого анода на катод в гальванической ванне с электролитом из ряда: медь, никель, золото, серебро и др., при этом компактирование осуществляют для получения формы анодов и осуществляют электрохимическим способом перенос композиционного материала с анода на катод в гальванической ванне с электролитом. Способ позволяет получить композиционный материал с наноразмерными упрочняющими частицами и с очищенной от загрязнений матрицей. Способ основан на установленном эффекте возможности переноса наноразмерных частиц при электрохимическом переносе металла с анода на катод. Большие частицы переноситься не могут, а наноразмерные частицы с размером менее 50 нм могут переноситься с анода на катод. Наиболее благоприятный размер наночастиц для этого способа - 3-6 нм. Следует заметить, что порошки имеют в своем составе частицы разных размеров (и более-менее большие тоже), а предлагаемый способ позволяет значительно снизить разброс размеров частиц, так как большие частицы переноситься не будут, а выпадут в осадок в электролите. В способе предлагается применять наноалмазы, карбид кремния, карбид вольфрама, карбид бора, карбид циркония, оксид кремния, оксид алюминия, оксид циркония, нитрид титана, нитрид циркония, нитрид бора, так как наноразмерные порошки из этих материалов возможно получать в промышленных масштабах с размером менее 50 нм. А также исследования показали, что эти материалы могут эффективно упрочнять металлическую матрицу. Содержание наночастиц в исходном композиционном материале должно быть до 60%, в противном случае растворение анода не происходит равномерно и процесс переноса становится невозможным. Наиболее рациональным содержанием наночастиц с исходном композиционном материале является 20-35%. В исходном композиционном материале содержание наночастиц должно быть в 1,05-4 раза больше, чем требуется в конечном металломатричном композите. Это соотношение зависит как от размера наночастиц, так и от содержания наночастиц в композите. Так, при размере наночастиц 3-6 нм и содержании в исходном композите до 15% содержание наночастиц в исходном композите должно быть в 1,05 раз больше, чем в конечном продукте. При размере наночастиц порядка 50 нм и содержании в исходном композите порядка 60% упрочняющих частиц в конечный продукт переносится в 4 раза меньше упрочняющих частиц.The method of producing a metal matrix composite with nanoscale components, including mechanical alloying of a mixture of the starting components consisting of matrix material particles and reinforcing particles, and compaction of the granules obtained by mechanical alloying, is characterized in that reinforcing particles with an individual particle size of less than 50 nm are used for mechanical alloying range: nanodiamonds, silicon carbide, tungsten carbide, boron carbide, zirconium carbide, silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium nitride, nit zirconium nitride, boron nitride, while the volume fraction of the reinforcing particles does not exceed 60% and the reinforcing particles are 1.05-4 times greater than that required in the final metal matrix composite, and a metal is used for the matrix, which can be transferred electrochemically from a soluble anode to the cathode in a galvanic bath with an electrolyte from the series: copper, nickel, gold, silver, etc., while compaction is carried out to obtain the shape of the anodes and electrochemical transfer of the composite material from the anode to the cathode in the gal bathtub with electrolyte. The method allows to obtain a composite material with nanoscale reinforcing particles and with a matrix purified from contamination. The method is based on the established effect of the possibility of transfer of nanosized particles during electrochemical transfer of metal from the anode to the cathode. Large particles cannot be transported, and nanoscale particles with a size of less than 50 nm can be transported from the anode to the cathode. The most favorable nanoparticle size for this method is 3-6 nm. It should be noted that the powders contain particles of different sizes (and more or less large too), and the proposed method can significantly reduce the particle size spread, since large particles will not be transferred, but will precipitate in the electrolyte. The method proposes to use nanodiamonds, silicon carbide, tungsten carbide, boron carbide, zirconium carbide, silicon oxide, alumina, zirconium oxide, titanium nitride, zirconium nitride, boron nitride, since nanoscale powders from these materials can be obtained on an industrial scale with a size less than 50 nm. And also studies have shown that these materials can effectively harden a metal matrix. The content of nanoparticles in the initial composite material should be up to 60%, otherwise the dissolution of the anode does not occur evenly and the transfer process becomes impossible. The most rational content of nanoparticles with the starting composite material is 20-35%. In the starting composite material, the content of nanoparticles should be 1.05-4 times greater than that required in the final metal matrix composite. This ratio depends both on the size of the nanoparticles and on the content of nanoparticles in the composite. So, with a nanoparticle size of 3-6 nm and a content in the initial composite of up to 15%, the content of nanoparticles in the initial composite should be 1.05 times greater than in the final product. With a nanoparticle size of about 50 nm and a content of about 60% of the reinforcing particles in the initial composite, 4 times less than the reinforcing particles are transferred to the final product.
Для матрицы применяют металл, который возможно электрохимическим способом переносить с растворимого анода на катод в гальванической ванне с электролитом из ряда: медь, никель, золото, серебро и др. Это требование объясняется следующим образом. Способ предназначен для получения композиционного материала с равномерным распределением отдельно лежащих наноразмерных частиц. Наночастицы всегда объединены в агломераты, размер которых может достигать миллиметров. То есть при внесении в электролит агломерированных нанопорошков (в этом случае можно применять все металлы, которые способны к электрохимическому осаждению, в том числе и при осаждении из электролита) получить отдельно лежащие наночастицы невозможно. А при переносе композиционного материала с отдельно лежащими упрочняющими наночастицами с анода на катод агломерирования практически не происходит и перенос композиционного материала возможен (это установленный экспериментом факт). Но такой способ можно применять только для тех металлов (металлических матриц композита), которые возможно электролитически переносить с анода на катод.A metal is used for the matrix, which can be transferred electrochemically from the soluble anode to the cathode in a galvanic bath with an electrolyte from the series: copper, nickel, gold, silver, etc. This requirement is explained as follows. The method is intended to obtain a composite material with a uniform distribution of separately lying nanosized particles. Nanoparticles are always combined into agglomerates, the size of which can reach millimeters. That is, when agglomerated nanopowders are introduced into the electrolyte (in this case, all metals that are capable of electrochemical deposition, including precipitation from the electrolyte, can be used), it is impossible to obtain separately lying nanoparticles. And when transferring a composite material with separately lying reinforcing nanoparticles from the anode to the cathode, there is practically no agglomeration and transfer of the composite material is possible (this is a fact established by experiment). But this method can only be used for those metals (metal matrix matrices) that can be electrolytically transferred from the anode to the cathode.
При этом компактирование осуществляют для получения формы анодов и осуществляют электрохимическим способом перенос композиционного материала с анода на катод в гальванической ванне с электролитом. То есть композиционный материал получают с применением метода механического легирования. При механическом легировании агломераты наночастиц разбиваются и наночастицы равномерно распределяются в металлической матрице. При этом после механического легирования получаются гранулы композиционного материала с металлической матрицей и отдельно лежащими упрочняющими наночастицами. Для получения объемного материала гранулы подвергают компактированию. Так как гранулы - это порошкообразный материал, то при компактировании можно получать самые разные формы объемного материала. В данном способе при компактировании гранул компакту придают форму будущего анода. Чаще всего это пластины, то могут быть и стержни и др. Полученные аноды из композиционного материала с металлической матрицей и отдельно лежащими равномерно распределенными упрочняющими наночастицами помещают в гальваническую ванну с электролитом (для каждого металла применяется свой электролит) и осуществляют перенос электрохимическим способом композиционный материал с анода (растворимого анода) на катод (аналог - электрохимическая очистка меди). Экспериментально установлено, что при этом анод растворяется, сольватированные наночастицы переносятся к катоду, где под действием тока происходит формирование нанокомпозиционного материала на катоде. При этом варианте упрочняющие наноразмерные частицы в процессе переноса с анода на катод защищены средой от агломерации.In this case, the compacting is carried out to obtain the shape of the anodes and the electrochemical method is used to transfer the composite material from the anode to the cathode in a galvanic bath with an electrolyte. That is, the composite material is obtained using the mechanical alloying method. During mechanical alloying, the agglomerates of nanoparticles break up and the nanoparticles are evenly distributed in the metal matrix. In this case, after mechanical alloying, granules of a composite material with a metal matrix and separately lying strengthening nanoparticles are obtained. To obtain bulk material, the granules are compacted. Since granules are a powdery material, when compacting, you can get a variety of forms of bulk material. In this method, when compacting the granules, the compact is shaped into a future anode. Most often these are plates, then there may be rods, etc. The obtained anodes from a composite material with a metal matrix and separately lying uniformly distributed reinforcing nanoparticles are placed in a galvanic bath with an electrolyte (each metal has its own electrolyte) and the composite material is transferred using the electrochemical method anode (soluble anode) to the cathode (analogue - electrochemical purification of copper). It was experimentally established that in this case the anode dissolves, the solvated nanoparticles are transferred to the cathode, where under the influence of current, the formation of a nanocomposite material on the cathode takes place. In this embodiment, hardening nanosized particles are protected from agglomeration by the medium during transfer from the anode to the cathode.
В способе возможно для механического легирования дополнительно применять еще как минимум один вид упрочняющих частиц, то есть применять комбинацию как минимум двух видов упрочняющих частиц из ряда, указанного в п.1 формулы изобретения. Возможно применять и комбинацию трех и четырех видов упрочняющих частиц. При этом общая объемная доля всех примененных упрочняющих частиц подчиняется требованиям, указанным в п.1 формулы изобретения. Это делается для достижения поставленной цели. Имеют место следующие положительные эффекты. Во-первых, возможно, что такие наночастицы разных видов имеют и различный размер. Экспериментально установлено, что чем меньше упрочняющая частица, тем меньше имеет место налипание обрабатываемого материала на технологический инструмент и меньше наблюдается комкование. То есть добавлять второй вид наночастиц следует, если размер второго вида значительно меньше, чем первого. Во-вторых, различные материалы имеют различный коэффициент линейного расширения. Добавлять второй (и т.д) вид нанопорошков возможно для корректировки коэффициена линейного расширения нанокомпозита.In the method it is possible for mechanical alloying to additionally apply at least one more type of reinforcing particles, that is, apply a combination of at least two types of reinforcing particles from the series indicated in claim 1. It is possible to use a combination of three and four types of reinforcing particles. Moreover, the total volume fraction of all applied reinforcing particles obeys the requirements specified in claim 1. This is done to achieve the goal. The following positive effects take place. First, it is possible that such nanoparticles of different types have different sizes. It was experimentally established that the smaller the hardening particle, the less sticking of the processed material to the technological tool takes place and less clumping is observed. That is, the second type of nanoparticles should be added if the size of the second type is much smaller than the first. Secondly, different materials have different linear expansion coefficients. It is possible to add a second (etc.) type of nanopowders to adjust the coefficient of linear expansion of the nanocomposite.
В способе возможно после окончания переноса композиционного материала с растворимого анода на катод осуществлять его деформирование. После формирования композиционного материала на катоде структура матрицы имеет структуру, близкую к структуре электрохимически очищенного материала. То есть существует возможность увеличения прочностных показателей за счет улучшения структуры, которое возможно получить деформированием. Для этого деформирование и осуществляют.In the method, it is possible after the transfer of the composite material from the soluble anode to the cathode is completed to carry out its deformation. After the formation of the composite material at the cathode, the matrix structure has a structure close to that of the electrochemically purified material. That is, there is the possibility of increasing strength indicators due to the improvement of the structure, which can be obtained by deformation. For this, deformation is carried out.
В способе возможно деформирование осуществлять методом экструзии с вытяжкой за один проход от 1,05 до 2, при этом в случае необходимости достижения большей вытяжки осуществляют термическую обработку при температуре (1,05-1,2) от температуры рекристаллизации материала матрицы в течение 0,5-6 часов, а после окончания деформирования проводят термическую обработку при температуре (0,5-0,95) от температуры рекристаллизации материала матрицы в течение 0,5-3 часов. Экспериментально показано, что наиболее эффективным способом деформирования с точки зрения качества проработки структуры и быстродейсвия является экструзия. Однако экструзия с вытяжкой менее 1,05 не приводит к заметному упрочнению композита и к изменению структуры матрицы. А экструзия с вытяжкой более 2 приводит к появлению микродефектов, что снижает коэффициент использования металла. Для осуществления повторного цикла деформирования осуществляют термическую обработку для снятия напряжений и для проведения рекристаллизации структуры матрицы (снижения количества дислокаций). При этом температура термической обработки не должна быть менее 1,05 от температуры рекристаллизации материала матрицы композита и не должна быть более 1,2 от температуры рекристаллизации материала матрицы. В случае если температура промежуточной термической обработки будет меньше 1,05 от температуры рекристаллизации материала матрицы композита, то возможно образование участков, в которых процессы рекристаллизации не пройдут полностью. А в случае если температура промежуточной термической обработки будет превышать 1,2 от температуры рекристаллизации материала матрицы, то возможен чрезвычайно высокий рост зерен (кристаллитов) матрицы, что приведет к затруднению процессов деформации (или даже к разрушению материала). Время промежуточной термической обработки равно 0,5-6 часов. Если время промежуточной термической обработки будет меньше чем 0,5 часа, то полностью остаточные напряжения не релаксируют, что может привести к разрушению материала при последующем деформировании. Если время промежуточной термической обработки будет превышать 6 часов, то кроме повышенной затраты энергии произойдет чрезмерный рост зерна матрицы, что может привести к разрушению материала при последующей деформации.In the method, it is possible to carry out the deformation by extrusion with a hood in one pass from 1.05 to 2, while if necessary, to achieve a larger hood, heat treatment is carried out at a temperature of (1.05-1.2) from the temperature of recrystallization of the matrix material for 0, 5-6 hours, and after the deformation is completed, heat treatment is carried out at a temperature of (0.5-0.95) from the temperature of recrystallization of the matrix material for 0.5-3 hours. It has been experimentally shown that the most effective method of deformation from the point of view of the quality of the structure and the speed of development is extrusion. However, extrusion with an extract of less than 1.05 does not lead to a noticeable hardening of the composite and to a change in the structure of the matrix. And extrusion with an extract of more than 2 leads to the appearance of microdefects, which reduces the utilization of the metal. To carry out a repeated deformation cycle, heat treatment is performed to relieve stresses and to recrystallize the matrix structure (reduce the number of dislocations). The temperature of the heat treatment should not be less than 1.05 of the temperature of recrystallization of the material of the matrix of the composite and should not be more than 1.2 of the temperature of recrystallization of the material of the matrix. If the temperature of the intermediate heat treatment is less than 1.05 of the temperature of recrystallization of the material of the composite matrix, then it is possible to form areas in which the recrystallization processes will not completely pass. And if the temperature of the intermediate heat treatment will exceed 1.2 of the temperature of recrystallization of the matrix material, then an extremely high growth of grains (crystallites) of the matrix is possible, which will lead to difficulties in deformation processes (or even to destruction of the material). The intermediate heat treatment time is 0.5-6 hours. If the intermediate heat treatment time is less than 0.5 hours, then the fully residual stresses do not relax, which can lead to destruction of the material during subsequent deformation. If the time of the intermediate heat treatment will exceed 6 hours, then in addition to the increased energy consumption, an excessive growth of the matrix grain will occur, which can lead to destruction of the material during subsequent deformation.
После окончания деформирования проводят термическую обработку при температуре (0,5-0,95) от температуры рекристаллизации материала матрицы в течение 0,5-3 часов. Для того чтобы процессы рекристаллизации не снизили прочностные показатели, эту термическую обработку следует проводить ниже температуры рекристаллизации. Для того, чтобы это гарантировать, температуру не следует поднимать выше 0,95 от температуры рекристаллизации. А снижение температуры термообработки ниже 0,5 от температуры рекристаллизации не привет к полной релаксации напряжений. Время отжига также влияет на эти процессы. Малое время (менее 0,5 часа) не позволит провести полную релаксацию напряжений. Длительное время окончательной термообработки приведет к излишним энергозатратам и может привести к нежелательному окислению материала.After the deformation is completed, heat treatment is carried out at a temperature of (0.5-0.95) from the temperature of recrystallization of the matrix material for 0.5-3 hours. In order for the recrystallization processes not to reduce strength indicators, this heat treatment should be carried out below the recrystallization temperature. In order to guarantee this, the temperature should not be raised above 0.95 of the recrystallization temperature. A decrease in the temperature of heat treatment below 0.5 from the temperature of recrystallization is not a hello to the complete relaxation of stresses. Annealing time also affects these processes. A short time (less than 0.5 hours) will not allow a complete relaxation of stress. A long final heat treatment time will lead to excessive energy consumption and can lead to undesirable oxidation of the material.
В способе возможно деформирование осуществлять методом ковки с малой единичной степенью деформации. Применить метод ковки для получения полной проработки структуры композита можно только при малой единичной степени деформации, например, методом ротационной ковки. Для композиционных материалов степень единичной деформации должна быть в 2-4 раза меньше, чем для прочных и пластичных сталей и сплавов. В противном случае произойдет разрушение композита.In the method, it is possible to carry out the deformation by forging with a small unit degree of deformation. The forging method can be used to obtain a complete study of the composite structure only with a small unit degree of deformation, for example, by the method of rotational forging. For composite materials, the degree of unit deformation should be 2-4 times less than for strong and ductile steels and alloys. Otherwise, the composite will break.
Способ осуществляют следующим образом. Вначале подготавливают исходные компоненты, то есть нанопорошки, которые будут служить упрочняющими частицами (например, наноалмазы, карбид кремния, карбид вольфрама, карбид бора, карбид циркония, оксид кремния, оксид алюминия, оксид циркония, нитрид титана, нитрид циркония, нитрид бора), и матричный материал в виде частиц (например, медь, никель, золото, серебро и др.). При этом содержание упрочняющих частиц составляет до 60% объемных и в 1,05-4 раза больше, чем требуется в конечном металломатричном композите. Исходный материал помещают в барабаны планетарной мельницы, размещают в барабанах мелющие элементы (например, шары) и осуществляют заполнение барабанов аргоном (или другим инертным газом), герметично закрывают барабаны. Осуществляют механическое легирование смеси путем обработки в планетарной мельнице. Время обработки может составлять от 0,5 до 10 часов. После этого барабаны помещают в герметичный бокс, заполненный аргоном, и освобождают барабаны от содержимого, отделяют шары от композиционных гранул. Полученные композиционные гранулы в инертной атмосфере размещают в пресс-форме, которая выполнена в форме анода. Закрывают пресс-форму, размещают ее в прессе и осуществляют компактирование для получения анода. Компактирование можно осуществлять различными способами, например прессованием. Прессование можно осуществлять как холодное, так и горячее. Остаточная пористость в этом случае допускается до 15%. Если пористость будет выше, то при электрохимическом процессе произойдет преждевременное разрушение анода. Изготовленный из композиционного материала анод (например, медь + наноалмаз) помещают в гальваническую ванну с электролитом и осуществляют перенос композиционного материала с анода на катод (которым для композита «медь + наноалмаз» может служить медная пластина). После окончания электрохимического процесса переноса композита катод вынимают из ванны, отделяют композиционный материал, который и является целью всех действий.The method is as follows. Initially, the initial components are prepared, i.e., nanopowders that will serve as strengthening particles (e.g., nanodiamonds, silicon carbide, tungsten carbide, boron carbide, zirconium carbide, silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium nitride, zirconium nitride, boron nitride), and matrix material in the form of particles (for example, copper, nickel, gold, silver, etc.). At the same time, the content of hardening particles is up to 60% by volume and is 1.05-4 times greater than that required in the final metal matrix composite. The source material is placed in the drums of a planetary mill, grinding elements (for example, balls) are placed in the drums and the drums are filled with argon (or other inert gas), the drums are hermetically closed. Carry out mechanical alloying of the mixture by processing in a planetary mill. Processing time can be from 0.5 to 10 hours. After that, the drums are placed in a sealed box filled with argon, and the drums are freed from the contents, the balls are separated from the composite granules. The obtained composite granules in an inert atmosphere are placed in a mold, which is made in the form of an anode. The mold is closed, placed in the press, and compacted to form an anode. Compaction can be carried out in various ways, for example by compression. Pressing can be carried out both cold and hot. Residual porosity in this case is allowed up to 15%. If the porosity is higher, then the premature destruction of the anode will occur during the electrochemical process. An anode made of a composite material (for example, copper + nanodiamond) is placed in a galvanic bath with an electrolyte and the composite material is transferred from the anode to the cathode (which can be a copper plate for the copper + nanodiamond composite). After the end of the electrochemical process of transferring the composite, the cathode is removed from the bath, the composite material is separated, which is the goal of all actions.
При этом возможно применять как минимум два вида нанопорошков в качестве упрочняющих частиц. Возможно осуществлять деформирование полученного композита.It is possible to use at least two types of nanopowders as reinforcing particles. It is possible to deform the resulting composite.
Достижение задачи изобретения подтверждается следующими примерами.The achievement of the objectives of the invention is confirmed by the following examples.
Пример 1Example 1
Требовалось получить композиционный материал «медь + 20% объемных наноалмазов». Исходными материалами явились медная стружка из меди М0, предварительно обработанная в планетарной мельнице в течение 2-3 мин, и наноалмазные порошки (размер первичной наноалмазной частицы 4-6 нм, наноалмазные частицы объединены в агломераты размером до 50 мкм). Количество компонентов выбрали из расчета получения композита после механического легирования с составом «медь + 30% объемных наноалмазов», то есть в 1, 5 раз большем, чем в конечном продукте. Исходные компоненты поместили в барабаны планетарной мельницы, добавили мелющие шары, осуществили заполнение барабанов аргоном и герметично закрыли барабаны. Осуществили механическое легирование смеси путем обработки в планетарной мельнице. Время обработки составило 2 часа. После этого в герметичном боксе, заполненном аргоном, извлекли полученные композиционные гранулы, отделив их от шаров. В этом же герметичном блоке засыпали полученные композиционные гранулы в пресс-форму. Пресс форма позволяла получить прессовку в виде пластины размером 30×60×10 мм. Закрыли прессформу, вынули из герметичной камеры и передали на пресс. Прессование осуществляли в два этапа. Вначале осуществили холодную подпрессовку, затем подогрели прессформу до 600°С и осуществили прессование при этой температуре. Охладили прессформу и вынули пластину. Зачистили поверхность пластины, прикрепили ее к токоподводу. Эта пластина служила анодом. Катодом служила пластина меди размером 30×60×3 мм. Электроды разместили в гальванической ванне с электролитом. Осуществили процесс электрохимического переноса композита с анода на катод. После окончания процесса катод извлекли из гальванической ванны, механическим путем (фрезерованием) удалили чистую медь. Таким образом был получен композиционный материал «медь + 20% наноалмаззов». Полученный композиционный материал подвергли деформации в стане продольной прокатки при температуре 200°С с обжатием 10% в два прохода. После этого провели отжиг при температуре 600°С в течение 2 часов.It was required to obtain a composite material "copper + 20% bulk nanodiamonds." The starting materials were copper chips from M0 copper, pretreated in a planetary mill for 2–3 min, and nanodiamond powders (the size of the primary nanodiamond particle was 4–6 nm, nanodiamond particles were combined into agglomerates up to 50 μm in size). The number of components was selected on the basis of the preparation of the composite after mechanical alloying with the composition “copper + 30% bulk nanodiamonds”, that is, 1, 5 times larger than in the final product. The initial components were placed in the drums of a planetary mill, grinding balls were added, the drums were filled with argon and the drums were sealed. The mixture was mechanically alloyed by treatment in a planetary mill. Processing time was 2 hours. After that, in a sealed box filled with argon, the obtained composite granules were removed, separating them from the balls. In the same sealed unit, the obtained composite granules were poured into the mold. The compression mold made it possible to obtain a compact in the form of a plate measuring 30 × 60 × 10 mm. They closed the mold, removed it from the sealed chamber and transferred it to the press. Pressing was carried out in two stages. First, cold pressing was carried out, then the mold was heated to 600 ° C and pressing was performed at this temperature. They cooled the mold and took out the plate. We cleaned the surface of the plate, attached it to the current lead. This plate served as the anode. A copper plate measuring 30 × 60 × 3 mm was used as the cathode. The electrodes were placed in a galvanic bath with electrolyte. The process of electrochemical transfer of the composite from the anode to the cathode was carried out. After the process, the cathode was removed from the plating bath, pure copper was removed mechanically (by milling). Thus, the composite material “copper + 20% nanodiamonds” was obtained. The resulting composite material was subjected to deformation in a longitudinal rolling mill at a temperature of 200 ° C with a compression of 10% in two passes. After that, annealing was carried out at a temperature of 600 ° C for 2 hours.
Пример 2Example 2
Требовалось получить композиционный материал «никель + 15% объемных карбида кремния + 5% объемных наноалмазов». Вначале подготовили исходные компоненты. Для упрочняющих частиц - нанопорошки карбида кремния с размером первичной наночастицы 25-30 нм (агломераты размером до 50 мкм) (из расчета 39% в исходном композиционном материале) и наноалмазные порошки с размером первичной наночастицы 4-6 нм (агломераты размером до 50 мкм) (из расчета 6% в исходном композите). То есть в исходном композиционном материале было в 2,6 раза больше частиц карбида кремния и в 1,2 раза больше наноалмазов, чем требуется в конечном композиционном материале. Для матрицы применили стружку технически чистого никеля после предварительной обработки в мельнице в течение 3 мин. Исходные компоненты поместили в барабаны планетарной мельницы, добавили мелющие шары, осуществили заполнение барабанов аргоном и герметично закрыли барабаны. Осуществили механическое легирование смеси путем обработки в планетарной мельнице. Время обработки составило 3 часа. После этого в герметичном боксе, заполненном аргоном, извлекли полученные композиционные гранулы, отделив их от шаров. В этом же герметичном блоке засыпали полученные композиционные гранулы в пресс-форму. Пресс форма позволяла получить прессовку в виде пластины размером 50×60×25 мм. Закрыли прессформу, вынули из герметичной камеры и передали на пресс. Прессование осуществляли в два этапа. Вначале осуществили холодную подпрессовку, затем подогрели прессформу до 600°С и осуществили прессование при этой температуре. Охладили прессформу и вынули пластину. Зачистили поверхность пластины, прикрепили ее к токоподводу. Эта пластина служила анодом. Катодом служила пластина никеля размером 50×60×3 мм. Электроды разместили в гальванической ванне с электролитом. Осуществили процесс электрохимического переноса композита. В результате получили на катоде композиционный материал «никель + 15% карбида кремния + 5% наноалмазов». Вынули катод из ванны. Механически очистили его от слоя чистого никеля и разрезали на две равные части. Затем из полученных заготовок изготовили цилиндры диаметром 20 мм.It was required to obtain a composite material "nickel + 15% by volume of silicon carbide + 5% by volume of nanodiamonds." Initially, the starting components were prepared. For hardening particles, silicon carbide nanopowders with a primary nanoparticle size of 25-30 nm (agglomerates up to 50 μm in size) (based on 39% in the initial composite material) and nanodiamond powders with a primary nanoparticle size of 4-6 nm (agglomerates up to 50 μm) (based on 6% in the initial composite). That is, in the starting composite material there were 2.6 times more silicon carbide particles and 1.2 times more nanodiamonds than required in the final composite material. Chips of technically pure nickel were used for the matrix after pretreatment in a mill for 3 minutes. The initial components were placed in the drums of a planetary mill, grinding balls were added, the drums were filled with argon and the drums were sealed. The mixture was mechanically alloyed by treatment in a planetary mill. Processing time was 3 hours. After that, in a sealed box filled with argon, the obtained composite granules were removed, separating them from the balls. In the same sealed unit, the obtained composite granules were poured into the mold. The compression mold made it possible to obtain a pressing in the form of a plate measuring 50 × 60 × 25 mm. They closed the mold, removed it from the sealed chamber and transferred it to the press. Pressing was carried out in two stages. First, cold pressing was carried out, then the mold was heated to 600 ° C and pressing was performed at this temperature. They cooled the mold and took out the plate. We cleaned the surface of the plate, attached it to the current lead. This plate served as the anode. A nickel plate 50 × 60 × 3 mm in size served as a cathode. The electrodes were placed in a galvanic bath with electrolyte. Carried out the process of electrochemical transfer of the composite. As a result, we obtained a composite material “nickel + 15% silicon carbide + 5% nanodiamonds” at the cathode. They took the cathode out of the bath. Mechanically cleaned it of a layer of pure nickel and cut into two equal parts. Then, cylinders with a diameter of 20 mm were made from the obtained blanks.
Полученные цилиндры из композиционного материала подвергли экструзии в два прохода. Первый проход - с диаметра 20 мм на диаметр 16 мм (вытяжка 1,56). Второй проход - с диаметра 16 мм на диаметр 14 мм (вытяжка 1,3). При этом после первого прохода осуществили термическую обработку при 850°С в течение 1 часа, а после второго прохода осуществили термическую обработку при 450°С в течение 2 часов.The resulting composite material cylinders were extruded in two passes. The first pass - from a diameter of 20 mm to a diameter of 16 mm (hood 1.56). The second pass - from a diameter of 16 mm to a diameter of 14 mm (hood 1.3). In this case, after the first pass, heat treatment was carried out at 850 ° C for 1 hour, and after the second pass, heat treatment was carried out at 450 ° C for 2 hours.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012110000/02A RU2485195C1 (en) | 2012-03-15 | 2012-03-15 | Method for obtaining metal matrix composite with nano-sized components |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012110000/02A RU2485195C1 (en) | 2012-03-15 | 2012-03-15 | Method for obtaining metal matrix composite with nano-sized components |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2485195C1 true RU2485195C1 (en) | 2013-06-20 |
Family
ID=48786301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012110000/02A RU2485195C1 (en) | 2012-03-15 | 2012-03-15 | Method for obtaining metal matrix composite with nano-sized components |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2485195C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103993196A (en) * | 2014-06-11 | 2014-08-20 | 胡贤晨 | Preparation method of aluminum oxide dispersion copper composite material |
| RU2574534C2 (en) * | 2014-06-17 | 2016-02-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Composite material with metal matrix and nanoscale reinforcing particles and method of its manufacturing |
| RU2630159C2 (en) * | 2015-10-22 | 2017-09-05 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Composite material with metallic matrix and reinforcing nanoparticles and method of its manufacture |
| RU2653393C1 (en) * | 2017-06-23 | 2018-05-08 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Composite with metallic matrix and reinforcement titanium carbide nanoparticles and method for manufacturing thereof |
| CN110656257A (en) * | 2018-06-29 | 2020-01-07 | 南京理工大学 | Method for preparing nano porous gold based on titanium-based amorphous alloy |
| RU2765969C1 (en) * | 2021-03-29 | 2022-02-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Hybrid composite material |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1493517A2 (en) * | 2003-07-03 | 2005-01-05 | General Electric Company | Process for producing materials reinforced with nanoparticles and articles formed thereby |
| RU2347647C1 (en) * | 2007-06-25 | 2009-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Nanochemical method of composite materials fabrication |
| RU2405068C1 (en) * | 2009-04-08 | 2010-11-27 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный технологический университет "Московский институт стали и сплавов" | Electrochemical plating from metal matrix composite and method of its fabrication |
| RU2423539C2 (en) * | 2009-06-05 | 2011-07-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный технологический университет "Московский институт стали и сплавов" | Procedure for production of metal-matrix composite |
| US8012275B2 (en) * | 2008-09-18 | 2011-09-06 | Nissei Plastic Industrial Co., Ltd | Method for manufacturing material for forming composite metal and method for manufacturing article formed from composite metal |
-
2012
- 2012-03-15 RU RU2012110000/02A patent/RU2485195C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1493517A2 (en) * | 2003-07-03 | 2005-01-05 | General Electric Company | Process for producing materials reinforced with nanoparticles and articles formed thereby |
| RU2347647C1 (en) * | 2007-06-25 | 2009-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Nanochemical method of composite materials fabrication |
| US8012275B2 (en) * | 2008-09-18 | 2011-09-06 | Nissei Plastic Industrial Co., Ltd | Method for manufacturing material for forming composite metal and method for manufacturing article formed from composite metal |
| RU2405068C1 (en) * | 2009-04-08 | 2010-11-27 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный технологический университет "Московский институт стали и сплавов" | Electrochemical plating from metal matrix composite and method of its fabrication |
| RU2423539C2 (en) * | 2009-06-05 | 2011-07-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный технологический университет "Московский институт стали и сплавов" | Procedure for production of metal-matrix composite |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103993196A (en) * | 2014-06-11 | 2014-08-20 | 胡贤晨 | Preparation method of aluminum oxide dispersion copper composite material |
| RU2574534C2 (en) * | 2014-06-17 | 2016-02-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Composite material with metal matrix and nanoscale reinforcing particles and method of its manufacturing |
| RU2630159C2 (en) * | 2015-10-22 | 2017-09-05 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Composite material with metallic matrix and reinforcing nanoparticles and method of its manufacture |
| RU2653393C1 (en) * | 2017-06-23 | 2018-05-08 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Composite with metallic matrix and reinforcement titanium carbide nanoparticles and method for manufacturing thereof |
| CN110656257A (en) * | 2018-06-29 | 2020-01-07 | 南京理工大学 | Method for preparing nano porous gold based on titanium-based amorphous alloy |
| CN110656257B (en) * | 2018-06-29 | 2022-04-08 | 南京理工大学 | Method for preparing nano porous gold based on titanium-based amorphous alloy |
| RU2765969C1 (en) * | 2021-03-29 | 2022-02-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Hybrid composite material |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2485195C1 (en) | Method for obtaining metal matrix composite with nano-sized components | |
| US11634333B2 (en) | Boron-containing titanium-based composite powder for 3D printing and method of preparing same | |
| JP4989636B2 (en) | High strength ultrafine nanostructured aluminum and aluminum nitride or aluminum alloy and aluminum nitride composite manufacturing method | |
| WO2016127716A1 (en) | Alloy material with high strength and ductility, and semi-solid state sintering preparation method therefor and uses thereof | |
| Elsayed et al. | Microstructure and mechanical properties of hot extruded Mg–Al–Mn–Ca alloy produced by rapid solidification powder metallurgy | |
| CN106521238B (en) | Y containing nanometer2O3The high-strength TiAl alloy of fine grain and preparation method thereof | |
| JP2010531388A (en) | Structural material of Al alloy containing Mg and high Si and method for producing the same | |
| WO2013115490A1 (en) | Magnesium alloy having high ductility and high toughness, and preparation method thereof | |
| CN110819873B (en) | High Nb-TiAl alloy added with nano yttrium oxide and preparation method thereof | |
| Bokhonov et al. | Formation of self-supporting porous graphite structures by Spark Plasma Sintering of nickel–amorphous carbon mixtures | |
| CN102392161A (en) | Aluminum alloy and preparation method thereof | |
| CN110129596B (en) | Thin strip-shaped nano Al3Preparation method of (Sc, Zr)/Al composite inoculant | |
| CN109609798B (en) | Controlled rolling preparation method of trace micro-nano hybrid particle reinforced Al-Cu-Mg-Si plate | |
| CN100457933C (en) | Preparation method of intensified tantalum and tantalum alloy material | |
| CN101333583A (en) | Method for preparing short-flowpath fine crystal super-plastic material | |
| CN116791014A (en) | Biocompatible TiZrNbAl refractory high-entropy alloy with improved corrosion resistance in simulated body fluid by nanosecond laser shock peening | |
| JPH05507766A (en) | Forging method for rapidly solidifying magnesium-based metal alloy billets | |
| CN107937840B (en) | A kind of titanium-aluminium alloy composite material and preparation method | |
| CN108504966A (en) | A kind of cobalt-base body amorphous alloy and preparation method thereof | |
| CN109825745B (en) | Alloy material with high comprehensive performance and preparation method thereof | |
| Nie et al. | Microstructure and mechanical properties of TiCp/Mg-4Zn-0.5 Ca nanocomposite in different processing conditions | |
| JPWO2012147998A1 (en) | α + β-type or β-type titanium alloy and method for producing the same | |
| HE et al. | Microstructures and properties of cold drawn and annealed submicron crystalline Cu-5% Cr alloy | |
| CN102534299B (en) | Beryllium-free polybasic copper alloy | |
| JP5252722B2 (en) | High strength and high conductivity copper alloy and method for producing the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180316 |