Композиционный материал

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к композиционным материалам с металлической матрицей, армированным минеральными волокнами, предназначенным для использования в качестве конструкционного материала для изготовления изделий повышенной прочности. Предложен композиционный материал, состоящий из металлической матрицы, выполненной из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний, цинк или олово и сплавы на их основе, и армирующего минерального волокнистого материала. В качестве армирующего минерального волокнистого материала он содержит ткань с односторонней или двусторонней пробивкой рубленым ровингом. Ткань и ровинг выполнены из минерального волокна следующего состава, мас.%: SiO₂ - 47 - 56; CaO - 5,5 - 12; Al₂O₃ - 12 - 17; MgO - 4,4 - 9,0; Fe₂O₃+FeO - 10 - 14; TiO₂ - 1 - 2; сопутствующие примеси - остальное. Длина рубленого ровинга составляет 3 - 20 мм. Ткань с односторонней или двусторонней пробивкой ровингом может быть расположена в объеме матрицы и/или на ее поверхности. Ровинг может иметь U-образную или линейную форму. Техническим результатом изобретения является повышение механической способности на растяжение и релаксационной способности композиционного материала. Прочность композиционного материала в соответствии с примерами составила 52-80 кгс/мм². 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к композиционным материалам на основе алюминия, магния, цинка, олова и их сплавов, армированных минеральным волокнистым материалом, предназначенным для широкого использования в различных областях техники в качестве конструкционного материала, который должен обладать повышенными прочностными свойствами.

Известны композиционные материалы на основе алюминия, армированные волокнами из смеси SiO₂ и Аl₂О₃ (SU 1817913, М. кл. С 22 С 1/09, 20.05.95).

При этом в качестве армирующего материала используют волокно, характеризующееся следующими параметрами: средняя длина волокон 1000 мкм, а толщина d=5 мкм.

Известный композиционный материал обладает достаточно высокими прочностными свойствами.

Однако достигаются высокие прочностные свойства за счет усложнения процесса производства композиционного материала путем предварительной поверхностной обработки химически инертных минеральных волокон активным веществом - металлом, выбранным из группы, содержащей медь, никель или кобальт.

Известны композиционные материалы, армированные базальтовой тканью (SU 1788062, М. кл. С 22 С 1/09, 15.01.93).

Известный композиционный материал относится к слоистым композиционным материалам, содержащим слои металла, диэлектрика (базальтовая ткань) и грунт между ними. При этом в качестве грунта используют эпоксифенольное связующее, а базальтовая ткань характеризуется следующими параметрами: ткань выполнена из крученых базальтовых нитей линейной плотности 50 текс x 1 x 2, числом нитей на 10 см 120 по основе и 120 по утку.

Физико-механические характеристики, достигнутые в известном материале, следующие: разрушающее напряжение материала при растяжении 41 кгс/мм² (410 МПа); разрушающее напряжение материала при изгибе 52 кгс/мм² (520 МПа); разрушающее напряжение материала при сжатии 40 кгс/мм² (400 МПа).

Область использования такого композиционного материала - изготовление печатных плат, при изготовлении изделий на основе фольгированных диэлектриков, узлов трения машин и прочее.

Ближайшим аналогом настоящего изобретения является композиционный материал, состоящий из металлической матрицы, выполненной из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний, цинк или олово и сплавы на их основе, и армирующего минерального волокнистого материала (ЕР 0181996, М. кл. С 22 С 1/09, 25.07.90).

При этом в качестве армирующего минерального волокнистого материала используют минеральные волокна следующего состава,%: SiO₂ - 35-50; CaO - 20-40; Аl₂О₃ - 10-20; MgO - 3-7; Fе₂O₃ - 1-5; примеси - остальное, при этом волокна содержат в своей массе до 20% от массы волокна частиц такого же состава. Всего армирующего минерального волокнистого материала может содержаться в композиционном материале от 4 до 25%.

Оптимальное количество армирующего волокнистого материала в композиционном материале от 5 до 20%, а оптимальное количество частиц в составе армирующего волокнистого материала до 10%.

Характеризуются минеральные волокна известного состава следующими характеристиками: диаметр волокна от 2 до 8 мкм, длина волокна от 20 мкм до 5 см (оптимальная длина от 20 мкм до 2 мм); фракционный состав: частицы с диаметром ≈150 мкм составляют 2%, частицы с диаметром ≈2-8 мкм - 98%.

Известные минеральные волокна отличаются хорошей механической прочностью на изгиб и высокой термостойкостью, что обеспечивает высокую прочность на износ композиционного материала с их использованием. Так, например, прочность на износ композиционного материала (металлическая матрица - бронза, количество армирующего материала - 19,3; общее количество минеральных частиц - 9,7; при этом частиц с диаметром 150 мкм - 1,6%) составляет 24 кгс/мм².

Однако такой композиционный материал недостаточно эффективно воспринимает растягивающие нагрузки и обладает недостаточной релаксационной способностью Новым техническим результатом от использования настоящего изобретения является повышение механической способности на растяжение и релаксационной способности композиционного материала за счет использования армирующего минерального волокнистого материала, содержащего в своем составе оксид титана и повышенное количество оксидов железа, а также за счет более равномерного и фиксированного распределения армирующего материала в толще металлической матрицы или на ее поверхности.

Этот результат достигается тем, что композиционный материал, состоящий из металлической матрицы, выполненной из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний, цинк или олово и сплавы на их основе, и армирующего минерального волокнистого материала, согласно изобретению в качестве армирующего минерального волокнистого материала содержит ткань с односторонней или двухсторонней пробивкой рубленым ровингом, при этом ткань и ровинг выполнены из минерального волокна следующего состава, мас.%: SiO₂ - 47-56; CaO - 5,5-12,0; Аl₂О₃ - 12-17; MgO - 4,4-9,0; Fe₂O₃+FeO - 10-14; TiO₂ - 1-2; сопутствующие примеси - остальное, а длина рубленого ровинга составляет 3-20 мм.

При этом ткань с односторонней или двусторонней пробивкой рубленым ровингом расположена в объеме металлической матрицы и/или на ее поверхности.

Ровинг имеет U-образную или линейную форму.

Всего армирующего минерального волокнистого материала может содержаться в композиционном материале от 10 до 60%, используемая в качестве армирующей добавки ткань выполнена из базальтовых нитей. А ровинг, используемый для пробивки ткани, представляет собой пучок некрученых базальтовых нитей.

Сопутствующие примеси содержат MnO, K₂O, Na₂O, Pb₂O₅ и прочие вещества.

Выпускается ткань по ТУ 5952-031-00204949-95 или по ТУ 5952-030-00204949-95, а ровинг выпускается по ТУ 5952-030-00204949-95. Пробивку ткани, выполненной из базальтовых нитей указанного состава, как одностороннюю, так и двухстороннюю, ровингом длиной 3-20 мм, осуществляют пневматическим или механическим способом с шагом пробивки от 0,05 до 10 мм.

Ткань, пробитая ровингом на одну сторону, имеет одну сторону гладкую, а противоположная сторона как-бы "утыкана" концами ровинга, которые увеличивают объем армированной части металлической матрицы при использовании такой ткани в производстве композиционного материала. При этом ровинг имеет U-образную форму и верхней частью при пробивке ткани захватывает нити ткани или линейную форму. Соответственно, ткань, пробитая ровингом на обе стороны, увеличивает объем армированной части металлической матрицы в еще большей степени при использовании такой ткани в производстве композиционного материала.

В качестве матрицы композиционный материал содержит металл, выбранный из группы, содержащей алюминий, магний, цинк или олово, и сплавы на их основе, а изготовление композиционного материала осуществляют известными способами, такими как метод вакуумной пропитки, метод горячего прессования, метод заливки жидким металлом и другими способами.

При расположении ткани на поверхности металлической матрицы с расположением концов ровинга во внутрь объема получаемый композиционный материал обладает дополнительными положительными свойствами: обладает улучшенной адгезией с лакокрасочными и антикоррозионными покрытиями, а также уменьшенным коэффициентом трения поверхности, что уменьшает энергоемкость производства при штамповке изделий из такого материала.

Содержание в составе минерального волокна, используемого для производства ткани и ровинга, повышенного количества Fe, присутствие оксидов титана и значительного уменьшенного количества оксида кальция способствуют увеличению пластичности армирующих элементов - ткани и ровинга, что в свою очередь обеспечивает повышение механической прочности (в том числе на растяжение), а также увеличение релаксационной способности композиционного материала.

При этом фиксированное расположение армирующего элемента в объеме металлической матрицы позволяет получить целевой продукт с равномерными плотностью и физико-механическими свойствами, то есть получить материал более однородный по показателям качества.

В качестве примеров предложенного композиционного материала ниже приводятся описания вариантов композиционного материала.

Пример 1. Композиционный материал, содержащий, маc.%: Ткань марки БТ-8 с двухсторонней пробивкой ровингом (шаг пробивки 0,5 мм) - 10 Алюминиевый сплав АЛ-6 - 90 получают способом горячей заливки следующим образом: в форму для заливки укладывают пробитую ровингом ткань и заливают жидким сплавом с Т=700^oС, выдерживают до полной кристаллизации, охлаждают и подвергают контролируемой прокатке.

При этом ткань (ТУ 5952-031-00204949-95) и ровинг (ТУ 5952-030-00204949-95) выполнены из минерального волокна следующего состава, маc.%: SiO₂ - 54; CaO - 5; Аl₂О₃ - 12; MgO - 7; Fe₂O₃+FeO - 10; TiO₂ - 2; примеси - 10, а длина рубленого ровинга составляет 3 мм.

Предел прочности на растяжение 80 кгс/мм².

Пример 2. Композиционный материал, содержащий, маc.%: Ткань марки БТ-8 с односторонней пробивкой U-образным ровингом (шаг пробивки 0,5 мм) - 30 Ткань марки БТ-8 с двухсторонней пробивкой линейным ровингом (шаг пробивки 5 мм) - 30 Сплав на основе магния (Mg) марки МЛ, содержащий 10% Аl, 0,5% Mn - 40 получают способом горячей заливки следующим образом: в форму укладывают односторонне пробитую ткань таким образом, чтобы концы ровинга располагались вверх. Затем укладывают вторую ткань, пробитую с двух сторон ровингом, и заливают сплавом с Т=700^oС, выдерживают до полной кристаллизации, охлаждают и подвергают контролируемой прокатке.

При этом ткань (ТУ 5952-031-00204949-95) и ровинг (ТУ 5952-030-00204949-95) выполнены из минерального волокна следующего состава, маc.%: SiO₂ - 50; CaO - 6; Аl₂O₃ - 17; MgO - 9; Fe₂O₃+FeO - 14; ТiO₂ - 2, примеси - 2, а длина ровинга составляет 20 мм.

Предел прочности на растяжение композиционного материала составляет 70 кгс/мм².

Пример 3. Композиционный материал, содержащий, маc.%:
Ткань марки БТ-8 с односторонней пробивкой U-образным ровингом (шаг пробивки 0,5 мм) - 40
Алюминиевый сплав АЛ-6 - 60
получают способом горячего прессования под давлением 5 т/см² в защитной среде - в аргоне - при Т=600^oС.

При этом ткань (ТУ 5952-091-00204949-95) и ровинг (ТУ 5952-030-00204949-95) выполнены из минерального волокна следующего состава, маc.%: SiO₂ - 54; CaO - 5; Аl₂О₃ - 12; MgO - 7; Fe₂O₃+FeO - 10; TiO₂ - 2; примеси - 2, а длина ровинга - 15 мм.

Предел прочности на растяжение композиционного материала составляет 52 кгс/мм².

Таким образом, предложенный композиционный материал имеет высокий предел прочности и может быть использован в качестве конструкционного материала в различных областях техники.

Формула изобретения

1. Композиционный материал, состоящий из металлической матрицы, выполненной из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний, цинк или олово и сплавы на их основе, и армирующего минерального волокнистого материала, отличающийся тем, что в качестве армирующего минерального волокнистого материала он содержит ткань с односторонней или двухсторонней пробивкой рубленым ровингом, при этом ткань и ровинг выполнены из минерального волокна следующего состава, маc. %:
SiO₂ - 47 - 56
CaO - 5,5 - 12,0
Аl₂О₃ - 12 - 17
MgO - 4,4 - 9,0
Fe₂O₃+FeO - 10 - 14
TiO₂ - 1 - 2
Сопутствующие примеси - Остальное
а длина рубленого ровинга составляет 3 - 20 мм.

2. Композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что ткань с односторонней или двухсторонней пробивкой ровингом расположена в объеме матрицы и/или на ее поверхности.

3. Композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что ровинг имеет U-образную или линейную форму.