Nanostrukturalny materiał kompozytowy o osnowie stopów aluminium do przeróbki plastycznej oraz sposób jego wytwarzania

RZECZPOSPOLITA POLSKA

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej

(12)

OPIS PATENTOWY

PL

216257

(21) Numer zgłoszenia: 394587

(22) Data zgłoszenia: 18.04.2011

(13)

B1

(51) Int.Cl.

C04B 35/16 (2006.01) C01B 33/26 (2006.01) B22F 7/00 (2006.01) C22C 49/00 (2006.01) B82B 3/00 (2006.01)

(54) Nanostrukturalny materiał kompozytowy o osnowie stopów aluminium do przeróbki plastycznej oraz sposób jego wytwarzania

(43) Zgłoszenie ogłoszono:

22.10.2012 BUP 22/12

(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

31.03.2014 WUP 03/14

(73) Uprawniony z patentu:

POLITECHNIKA ŚLĄSKA, Gliwice, PL

(72) Twórca(y) wynalazku:

LESZEK A. DOBRZAŃSKI, Gliwice, PL BŁAŻEJ TOMICZEK, Turza Śląska, PL MARCIN ADAMIAK, Gliwice, PL GRZEGORZ MATULA, Mikołów, PL JÓZEF SOŁTYS, Gliwice, PL

(74) Pełnomocnik:

rzecz. pat. Urszula Ziółkowska

PL 21 62 5 7 B1

PL 216 257 B1 2

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest nanostrukturalny materiał kompozytowy o osnowie stopów alumi- nium do przeróbki plastycznej oraz sposób jego wytwarzania mający zastosowanie zwłaszcza w przemyśle lotniczym, maszynowym, motoryzacyjnym i elektronicznym.

Wśród wielu sposobów wytwarzania metalowych materiałów kompozytowych. szczególną rolę odgrywają metody metalurgii proszków. Mechaniczna synteza, mechaniczne mielenie oraz następują- ce po nich prasowanie i wyciskanie na gorąco umożliwiają wytworzenie nanostrukturalnego materiału kompozytowego o stałym przekroju, równomiernym rozkładzie wzmacniającej fazy i wielkości jej czą- stek oraz - wynikające z tego - podwyższenie własności mechanicznych materiału przedstawione m.in.

w opisach GB1390857A, JP63065045, JP10195567A, RU2394928C1.

Znane jest wykorzystanie haloizytu zarówno do celów naukowych, jak i przemysłowych, m.in.

jako napełniacza w materiałach polimerowych. Haloizyt jest minerałem ilastym pochodzenia wulka- nicznego z grupy kaolinitu, który charakteryzuje się dużą porowatością, dużą powierzchnią właściwą (60500 m²/g), wysoką jonowymiennością oraz łatwością obróbki chemicznej i mechanicznej. Materia- ły kompozytowe o osnowie polimerowej przedstawione m.in. w opisach WO2010056689A1, WO2009029310A1, CN1746216A wskazują, że kilku- lub kilkunasto procentowy dodatek nanorurek mineralnych wyselekcjonowanych z haloizytu znacznie podwyższa wytrzymałość, sztywność, twar- dość, stabilność termiczną, a - w niektórych przypadkach - również przewodność elektryczną.

Stwierdzono nieoczekiwanie. że wzmocnienie metalowych materiałów kompozytowych mogą stanowić nanorurki pozyskane z haloizytu lub sam haloizyt wpływając dzięki swej nanometrycznej postaci na rozdrobnienie struktury, a co za tym idzie nieoczekiwane uzyskanie podwyższenia własno- ści mechanicznych oraz fizyko-chemicznych.

Materiał kompozytowy według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera fazę wzmacniają- cą w postaci naturalnych nanorurek mineralnych pozyskanych z haloizytu, lub sam haloizyt w udziale masowym 5-50%. korzystnie w zakresie 5-30%.

Sposób wytwarzania według wynalazku polega na tym. że najpierw proszki stopów aluminium i haloizytu poddaje się mechanicznej syntezie w młynie kulowym przez 2-20 godzin, a następnie tak przygotowana mieszanina proszków jest prasowana pod ciśnieniem korzystnie z zakresu od 100 do 500 MPa, w temperaturze z zakresu od 20 do 500°C i wyciskana na gorąco w temperaturze z zakresu 450-550°C. Następnie tak otrzymany materiał można poddać obróbce cieplnej polegającej na przesy- ceniu korzystnie w temperaturze z zakresu od 500 do 550C i sztucznemu starzeniu w temperaturze 150 do 200C.

W innym rozwiązaniu sposób wytwarzania według wynalazku polega na tym, że proszki mate- riałów wsadowych (w tym haloizytu) poddaje się mieszaniu przy użyciu fal ultradźwiękowych i/lub w młynie kulowym w zawiesinie alkoholu w czasie od 1-100 min, po czym tak przygotowana mieszani- na proszków jest prasowana pod ciśnieniem z zakresu od 100 do 500 MPa, w temperaturze z zakresu od 20 do 500°C i wyciskana na gorąco korzystnie w temperaturze z zakresu 450-550°C. Tak otrzyma- ny materiał można poddać obróbce cieplnej polegającej na przesyceniu korzystnie w temperaturze 500 do 550C i sztucznemu starzeniu w temperaturze 150 do 200°C, lub nagrzaniu w temp. 420-520C ze zgniotem 2-10%.

Materiał kompozytowy według wynalazku charakteryzują podwyższone własności mechaniczne, odporność na zużycie ścierne i odporność korozyjna, szczególnie w podwyższonej temperaturze.

Wzmacniane nanorurkami haloizytowymi/haloizytem materiały kompozytowe o osnowie stopów aluminium znajdą zastosowanie m.in. w przemyśle lotniczym, maszynowym i motoryzacyjnym, a naj- nowocześniejsze z nich zostaną adaptowane na potrzeby przemysłu zbrojeniowego, kosmicznego oraz profesjonalnego sprzętu sportowego. Ponadto - mogą zostać zastosowane na elementy narażo- ne na działanie wysokiej temperatury (tłoki, wały napędowe), w układach poddawanych intensywnemu zużyciu (tarcze, bębny sprzęgieł i hamulców), jak i w układach napędowych zapewniających uzyska- nie małego współczynnika tarcia i dużej zdolności do pochłaniania drgań.

P r z y k ł a d I:

Proszek stopu aluminium EN AW6061 o granulacji <75 μm, wraz z 10% udziałem masowym nanorurek haloizytowych oraz 1% środka poślizgowego (Microwax) poddaje się mechanicznej synte- zie w młynie kulowym (stosunek masa kul/masy proszku 20:1) przez 10 godzin w celu rozdrobnienia i trwałego połączenia faz. Tak przygotowana mieszanina proszków zostaje sprasowana na zimno pod ciśnieniem 300 MPa, a następnie wyciskana na gorąco w temperaturze 480°C. Otrzymany materiał

PL 216 257 B1 3

kompozytowy poddaje się obróbce cieplnej polegającej na przesycaniu (wygrzewanie przez 30 minut w temperaturze 530°C i chłodzenie w wodzie) i starzeniu w temperaturze 175°C przez 8 godzin.

P r z y k ł a d II:

Proszek stopu aluminium EN AW6061 o granulacji <75 μm, wraz z 5% udziałem masowym na- norurek haloizytowych poddaje się mieszaniu przy użyciu fal ultradźwiękowych przez 10 minut oraz w młynie kulowym przez 60 minut w celu równomiernego rozmieszczenia faz. Tak przygotowana mie- szanina proszków zostaje sprasowana na zimno pod ciśnieniem 300 MPa, a następnie wyciskana na gorąco w temperaturze 460°C. Otrzymany materiał kompozytowy poddaje się obróbce cieplnej pole- gającej na przesycaniu (wygrzewanie przez 30 minut w temperaturze 530°C i chłodzenie w wodzie) i starzeniu w temperaturze 170°C przez 8 godzin.

Zastrzeżenia patentowe

1. Nanostrukturalny materiał kompozytowy o osnowie stopów aluminium do przeróbki plastycz- nej, znamienny tym, że zawiera fazę wzmacniającą w postaci naturalnych nanorurek mineralnych z haloizytu, lub sam haloizyt w udziale masowym korzystnie w zakresie 5-30%.

2. Sposób wytwarzania nanostrukturalnego materiału kompozytowego o osnowie stopów alumi- nium przy użyciu metod mechanicznej syntezy, prasowania i wyciskania na gorąco, znamienny tym, że proszki materiałów wsadowych, czyli stopów aluminium i nanorurek haloizytowych/haloizytu podda- je się mieleniu w młynie kulowym od 2-20 godzin, a następnie tak przygotowana mieszanina proszków jest prasowana pod ciśnieniem z zakresu od 100 do 500 MPa, w temperaturze z zakresu od 20 do 500°C i wyciskana na gorąco w temperaturze z zakresu 450-550°C.

3. Sposób wytwarzania według zastrz. 2, znamienny tym, że otrzymany materiał poddaje się obróbce cieplnej polegającej na przesycaniu korzystnie w temperaturze z zakresu od 500 do 550C i sztucznemu starzeniu w temperaturze 150 do 200°C.

4. Sposób wytwarzania nanostrukturalnego materiału kompozytowego o osnowie stopów alumi- nium do przeróbki plastycznej przy użyciu metod metalurgii proszków i wyciskania na gorąco, zna- mienny tym, że proszki materiałów wsadowych, czyli stopów aluminium i nanorurek haloizyto- wych/haloizytu poddaje się mieszaniu ultradźwiękami i/lub w młynie kulowym w zawiesinie alkoholu w czasie od 1-100 min, po czym tak przygotowana mieszanina proszków jest prasowana pod ciśnieniem z zakresu od 100 do 500 MPa, w temperaturze z zakresu od 20 do 500°C i wyciskana na gorąco w temperaturze z zakresu 450-550°C.

5. Sposób wytwarzania według zastrz. 4, znamienny tym, że otrzymany materiał poddaje się obróbce cieplnej polegającej na przesyceniu korzystnie w temperaturze 500 do 550C i sztucznemu starzeniu w temperaturze 150 do 200C.

6. Sposób wytwarzania według zastrz. 4, znamienny tym, że otrzymany materiał poddaje się przeróbce plastycznej polegającej na nagrzaniu do temperatury z zakresu od 420 do 520C z suma- rycznym stopniem zgniotu od 2 do 10%.

PL 216 257 B1 4

Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)