Литейный сплав на основе алюминия для получения пропиткой композиционных материалов с углеграфитовым каркасом

Авторы патента:

Терзиман Олеся Владимировна (RU)

Гулевский Виктор Александрович (RU)

Кидалов Николай Алексеевич (RU)

Колмаков Алексей Георгиевич (RU)

Виноградов Леонид Викторович (RU)

Власов Сергей Эдуардович (RU)

Антипов Валерий Иванович (RU)

C22C49/06 - алюминий

C22C21/02 - с кремнием в качестве следующего основного компонента

C22C101/10 - Сплавы (кремни C06C 15/00; обработка сплавов C21D, C22F)

Владельцы патента RU 2555737:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) (RU)

Изобретение относится к области металлургии, в частности для получения пропиткой композиционных материалов, имеющих пористый углеграфитовый каркас, и может быть использовано для получения вкладышей радиальных и упорных подшипников, направляющих втулок, пластин, поршневых колец, щеток, вставок пантографов, токосъемников, а также в различных узлах и изделиях ракетно-космического назначения. Литейный сплав на основе алюминия для пропитки углеграфитового каркаса содержит, мас.%: кремний 11,0-13,0, никель 0,5-3,0, хром 0,5-2,0, свинец 0,1-1,5, ванадий 0,01-0,3, алюминий - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение прочности сцепления между пропитывающим сплавом и армирующим каркасом. 5 пр., 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии и получения композиционных материалов и отливок. Может быть использовано для получения пропиткой композиционных материалов, имеющих пористый углеграфитовый каркас, в качестве вкладышей радиальных и упорных подшипников, направляющих втулок, пластин, поршневых колец, щеткок, вставок пантографов, токосъемников, а также в различных узлах и изделиях ракетно-космического назначения.

Известен матричный сплав на основе алюминия, применяемый для получения композиционных материалов (далее КМ) пропиткой и имеющий следующий химический состав (мас.%): бор 2,0-3,0; кремний 10,0-12,0; ванадий 1,0-1,5; титан 1,0-1,5; алюминий - остальное [Заявка №2008103929/02, кл. C22C 35/00, C22C 21/02, опубл. 2009 г., БИ №18]. Изобретение позволяет снизить в два раза расход лигатуры при легировании сплавов на основе алюминия. Недостатком сплава является слишком большой расход такой лигатуры в производстве сплавов на основе алюминия и составляет 18-31 г на 1 кг сплава.

Известен также литейный сплав на основе алюминия, применяемый для получения КМ, методом пропитки, который может быть использован в производстве поршней двигателей внутреннего сгорания. Сплав имеет следующий химический состав (мас.%): кремний 12,0-13,0; медь 2,5-3,5; магний 1,0-1,5; никель 1,0-1,5; марганец 0,30-0,75; титан 0,10-0,20; цинк 0,20-0,50; хром 0,10-0,20; алюминий - остальное [Патент России №2385358 С1, кл. C22C 21/04, опубл. 27.03.2010, БИ №9]. Недостатки сплава заключаются в его повышенной склонности к хрупкому разрушению и пониженной работоспособности в условиях трения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является литейный сплав на основе алюминия, который может быть использован при изготовлении конструкционных материалов для машиностроения и электрической промышленности. Сплав имеет следующий химический состав (мас.%): кремний 11-13, медь 0,8-1,5, магний 0,8-1,3, никель 0,5-1,2, марганец 0,3-1,2, железо 0,3-0,8, хром 0,3-0,5, цинк 0,3-0,5, титан 0,22-0,35, свинец 0,02-0,21, бор 0,02-0,06, церий 0,02-0,05, азот 0,02-0,05, алюминий - остальное. [Патент России №2490351 С1, кл. C22C 21/04, опубл. 20.08.2013, БИ №23].

Недостатками известного литейного сплава на основе алюминия являются низкие характеристики коррозийной стойкости, а также сплав обладает пониженной жидкотекучестью.

Задачей данного изобретения является повышение прочности сцепления (связи) между пропитывающим сплавом и армирующим каркасом, увеличение проникающей способности литейного сплава.

Техническим результатом данного изобретения является повышение качества композиционного материала, пропитанного данным матричным сплавом.

Технический результат достигается в литейном сплаве на основе алюминия для получения пропиткой композиционных материалов с углеграфитовым каркасом, содержащем кремний, никель, хром и свинец, отличающемся тем, что он содержит ванадий при следующем соотношении, мас.%:

Кремний	11,0-13,0
Никель	0,5-3,0
Хром	0,5-2,0
Свинец	0,1-1,5
Ванадий	0,01-0,3
Алюминий	Остальное

При изготовлении КМ любым способом необходимо выполнить два условия: создать физический контакт компонентов по всей поверхности раздела и осуществить степень физико-химического взаимодействия компонентов, обуславливающую требуемый уровень монолитизации КМ (прочность связи компонентов) при неизменных свойствах пропитывающего состава и углеграфитового каркаса.

Введение в сплав кремния менее 11,0 мас.% приводит к снижению температуры ликвидуса и,, соответственно, к уменьшению интервала кристаллизации. Наличие кремния уменьшает магнитную проницаемость и электросопротивление, понижает коэрцитивную силу

Введение в сплав более 13,0 мас.% приводит к уменьшению коэффициента линейного расширения, к повышению термо- и износостойкости, но при этом ухудшаются его литейные качества (ухудшается жидкотекучесть на 30%, а также герметичность сплава) и растет стоимость производства.

Введение в состав сплава менее 0,5 мас.% никеля приводит к снижению жаропрочности сплава и проникающей способности, что недостаточно для повышения прочности сцепления между матричным сплавом и армирующим каркасом.

Введение в состав сплава более 3,0 мас.% никеля приводит к стабильной работе в условиях высоких температур и любой, даже агрессивной среде, увеличение коррозии, но недостатком является легирование дорогими и дефицитными элементами.

Введение в состав сплава хрома в количестве менее 0,5 мас.% приводит к уменьшению износостойкости, твердости и стойкости к коррозии композиционного сплава.

Введение в состав сплава хрома в количестве более 2,0 мас.% приводит к стойкости к окислению и коррозии, но здесь вступает в силу фактор, который можно назвать углеродным ограничением. Способность углерода связывать большие количества хрома приводит к обеднению стали этим элементом.

Введение в состав сплава свинца в количестве менее 0,1 мас.% приводит к уменьшению коррозионной стойкости и электропроводности, а также снижает химическую стойкость сплава.

Введение в состав сплава свинца в количестве более 1,5 мас.% приводит к увеличению пластичности.

Введение в состав сплава ванадия в количестве менее 0,01 мас.% приводит к снижению его проникающей способности и недостаточно для повышения прочности сцепления между сплавом и каркасом

Сплав отличается тем, что дополнительно содержит ванадий для увеличения проникающей способности и повышения прочности сцепления между сплавом и каркасом.

Введение в состав сплава ванадия в количестве более 0,3 мас.% нецелесообразно ввиду отсутствия дальнейшего увеличения проникающей способности сплава, а также из-за сложности легирования дорогим и дефицитным элементом.

Введение в состав сплава алюминия в указанном диапазоне концентраций приводит к существенному повышению прочности матричного сплава вследствие увеличения его коррозионной стойкости за счет образования окисной пленки, а также высокой стойкости к окислению.

Предлагаемый сплав обеспечивает более высокую прочность КМ и стойкость к коррозии, чем известные сплавы.

Результаты исследований приведены в таблице.

Таблица
Контролируемый материал	Состав, мас.%	Результаты исследований
Контролируемый материал	Кремний	Никель	Хром	Свинец	Ванадий	Алюминий	Матричного сплава	КМ
Поверхностное натяжение, Н/м·10^-3	Жидкотекучесть, мм	Температура пропитки, °C	Твердость, НВ	Удельная электрическая проводимость, МСм/м	Плотность, кг/м³	Прочность на сжатие, МПа
Сплав предлагаемого состава	10,5	0,4	0,4	0,45	0,005	остальное	250	300	800	105	32,5	1,90·10³	90
	11,0	0,5	0,5	0,5	0,01		245	315	800	130	33,5	1,95·10³	105
	11,5	0,95	0,8	0,55	0,1		220	480	800	165	35	2,00·10³	140
	12,0	1,25	1,0	0,6	0,15		200	560	800	180	37	2,05·10³	160
	12,5	1,75	1,25	1,0	0,2		180	600	800	220	38	2,10·10³	210
	13,0	3,0	2,0	0,8	0,3		150	750	800	250	39	2,15·10³	220
	13,5	3,5	2,5	0,85	0,35		165	680	800	260	40	2,20·10³	225
	12,0	1,75	1,25	0,8	0,2		205	540	800	200	36	2,15·10³	170
12,5	1,75	2,0	0,85	0,2	180	595	800	240	35	2,10·10³	210
Сплав-прототип	11,0-13,0	0,5-1,2	0,3-0,5	0,02-0,21		остальное	200	700	860-880	250	35	2,30·10³	200

Примеры конкретного изготовления

ПРИМЕР 1. Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: кремний 10,5; никель 0,4; хром 0,4; свинец 0,45; ванадий 0,005; Al - остальное).

(см. таблицу).

На этапе приготовления сплава расплав алюминия перегревается до 950°C на зеркало расплава в тигле в течение 60-120 с подается аргон. Затем добавляется при непрерывном перемешивании требуемое количество кремния, никеля, хрома, и железа. Все тщательно перемешивается до выравнивания концентрации.

Изготовление КМ производилось пропиткой каркаса из углеграфита марки АГ-1500 матричным сплавом при давлении 15 МПа, температуре 600°C и выдержкой при давлении 20-25 мин.

В качестве технологических характеристик сплава исследовались его плотность, твердость, прочность на сжатие, поверхностное натяжение, жидкотекучесть по отношению к углеграфитовому каркасу.

В качестве технологических характеристик КМ исследовались прочность на сжатие и плотность.

Прочность сплава и КМ на сжатие определялась на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 20 мм при настройке разрывной машины на нагрузку 10000 Н.

Проникающая способность сплава по отношению к углеграфитовому каркасу определялась по глубине затекания сплава в отверстия диаметром 1,0 мм, выполненные на дне углеграфитового стакана. Для этого в стакан с конусным отверстием вставляли углеграфитовый стакан меньшего диаметра с выполненным в нем отверстием. Таким образом, капли расплава, проникающего через отверстия, собирались на дне углеграфитового стакана. Капли взвешивали и рассчитывали объем металла, протекший через отверстия. Затем рассчитывали глубину затекания сплава в отверстия. Для уточнения результатов на проникающую способность сплавы исследовали по оригинальной методике. На дне углеграфитового стакана выполнялось три отверстия диаметром 1,0 мм. Проникающая способность определялась как среднее значение глубины затекания из трех опытов.

Для определения поверхностного натяжения сплавов изготавливались углеграфитовые подложки, на которые помещались навески сплава. Подложки с навесками помещались в алундовую трубку для нагрева в трубчатой печи. После по контуру капли рассчитывали поверхностное натяжение методом Дарси.

Плотность КМ определялась как процент заполнения открытых пор. Объем открытых пор определялся на образцах, предварительно пропитанных водой, с последующим определением веса и объема заполнившей образец воды.

Твердость матричного сплава определялась на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 20 мм на прессе Бринелля.

Матричный сплав и КМ на его основе в условиях испытания показали: поверхностное натяжение - 250 Н/м·10^-3, температуру пропитки - 800°C, твердость по Бринеллю - 105, жидкотекучесть - 300 мм, плотность - 1,9·10³%, прочность на сжатие - 90 МПа.

ПРИМЕР 2. Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: кремний 11,0; никель 0,5; хром 0,5; свинец 0,5; ванадий 0,01; Al - остальное).

Пример сплава с условиями его испытания аналогичен примеру 1.

Матричный сплав и КМ на его основе в условиях испытания показали: поверхностное натяжение - 245 Н/м·10^-3, температуру пропитки - 800°C, твердость по Бринеллю - 130, жидкотекучесть - 315 мм, плотность - 1,95·10³%, прочность на сжатие - 105 МПа.

ПРИМЕР 3. Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: кремний 11,5; никель 0,95; хром 0,8; свинец 0,55; ванадии 0,1; Al - остальное).

Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.

Матричный сплав и КМ на его основе в условиях испытания показали: поверхностное натяжение - 220 Н/м·10^-3, Температуру пропитки - 800°C, твердость по Бринеллю - 165, жидкотекучесть - 480 мм, плотность - 2,00·10³%, прочность на сжатие - 140 МПа.

ПРИМЕР 4. Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: кремний 12,0; никель 1,25; хром 1,0; свинец 0,6; ванадий 0,15; Al - остальное).

Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.

Матричный сплав и КМ на его основе в условиях испытания показали: поверхностное натяжение - 200 Н/м·10^-3, температуру пропитки - 800°C, твердость по Бринеллю - 180, жидкотекучесть - 560 мм, плотность - 2,05·10³%, прочность на сжатие - 160 МПа.

ПРИМЕР 5. Сплав с содержание ингредиентов (мас.%: кремний 12,5; никель 1,75; хром 1,25; свинец 0,65; ванадий 0,2; Al - остальное).

Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.

Матричный сплав и КМ на его основе в условиях испытания показали: поверхностное натяжение - 180 Н/м·10^-3, температуру пропитки - 800°C, твердость по Бринеллю - 220, жидкотекучесть - 600 мм, плотность - 2,10·10³%, прочность на сжатие - 210 МПа.

Пример на варьирование составом сплава, обосновывающие влияние содержание никеля, хрома и кремния на технологические характеристики сплава и КМ приведены в таблице 1.

Таким образом, заявленный литейный сплав на основе алюминия для получения пропиткой композиционных материалов с углеграфитовым каркасом благодаря повышенной прочности сцепления между сплавом и армирующим каркасом и увеличенной проникающей способностью, позволяет получить композиционные материалы более высокого качества.

Литейный сплав на основе алюминия для получения пропиткой композиционных материалов с углеграфитовым каркасом, содержащий кремний, никель, хром и свинец, отличающийся тем, что он содержит ванадий при следующем соотношении, мас.%:

Кремний	11,0-13,0
Никель	0,5-3,0
Хром	0,5-2,0
Свинец	0,1-1,5
Ванадий	0,01-0,3
Алюминий	Остальное.

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению литейного композиционного материала (ЛКМ) на основе алюминиевого сплава, упрочненного короткими волокнами, и может использоваться в качестве конструкционных материалов при создании конструкций и оборудования авиационных средств.

Литой композиционный материал на основе алюминия и способ его получения // 2516679

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литого композиционного материала (ЛКМ) на основе алюминия для изготовления отливок и деформируемых изделий электротехнического назначения.

Волокнистый композиционный материал // 2510425

Изобретение относится к области металлургии, в частности к волокнистым композиционным материалам, армированным непрерывными волокнами оксида алюминия, и может быть использовано в качестве конструкционного материала в авиационной технике.

Многослойный композиционный материал, способ получения многослойного композиционного материала и изделие, выполненное из него // 2243289

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению композиционных материалов с матрицей из алюминиевого сплава, армированной стальными волокнами, для изготовления элементов планера самолета, стрингерного набора, обшивки и т.д.

Композиционный материал // 1282559

Композиционный материал // 533640

Многослойная труба с трубой-сердцевиной из алюминиевого сплава // 2538540

Изобретение относится к многослойной трубе и ее применению. Многослойная труба включает металлическую трубу с внутренней поверхностью и внешней поверхностью, первый полимерный слой, связанный с внешней поверхностью, и, предпочтительно, второй полимерный слой, связанный с внутренней поверхностью, и при этом металлическая труба изготовлена из алюминиевого сплава, содержащего, вес.%: Si от 1,5 до 2,45, Fe от 0,5 до 1,2, Mn от 0,5 до 1,2, Cu от 0,3 до 1, Mg от 0,04 до 0,3, Ti<0,25, Zn<1,2 и другие примеси или случайные элементы <0,05 каждого, включая Cr<0,05 и Zr<0,05, всего <0,25, а остальное - алюминий.

Алюминиевый листовой припой // 2537052

Изобретение относится к листовому припою из многослойного алюминиевого сплава и может быть использовано при изготовлении теплообменников. Листовой припой из многослойного алюминиевого сплава, состоящий из: материала основного слоя, который на одной или двух сторонах имеет промежуточный слой, состоящий из Al-Si твердого припоя, расположенного между основным слоем и тонким покрывающим слоем поверх промежуточного слоя.

Сплав алюминия // 2536566

Изобретение относится к сплавам на основе алюминия, обладающим хорошей электропроводностью и теплопроводностью, и может быть использовано для производства деталей посредством литья под давлением, например радиаторов, применяемых для защиты электроники в автомобилях.

Пригодное для сварки металлическое изделие // 2533989

Изобретение относится к экструдированному или катаному плакированному металлическому изделию и может быть использовано в транспортной промышленности, аэрокосмических изделиях, судах.

Порошковый композиционный материал акп-1пк и способ его получения // 2533512

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к созданию легких материалов с низким коэффициентом линейного расширения, и может быть использовано в качестве конструкционного материала при создании командных приборов систем управления летательных аппаратов с высокими эксплуатационными характеристиками.

Алюминиевый сплав для прецизионного точения серии аа 6ххх // 2522413

Изобретение относится к области обработанных прецизионным точением деталей, полученных из выдавленных продуктов типа прутков, стержней, брусков, или даже труб из деформируемого алюминиевого сплава для прецизионного точения.

Порошковый композиционный материал // 2509817

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к композиционным материалам на основе алюминия, и может быть использовано в качестве конструкционного материала для деталей, работающих в условиях высоких механических и тепловых нагрузок, например для поршней форсированных двигателей внутреннего сгорания, работающих при температурах их нагрева 350°C и выше.

Активный материал отрицательного электрода на основе кремниевого сплава для электрического устройства // 2508579

Изобретение относится к активному материалу отрицательного электрода для электрического устройства, содержащему сплав с формулой состава SixZnyAlz, где каждый из х, y и z представляет массовое процентное содержание, удовлетворяющее: (1) x+y+z=100, (2) 26≤х≤47, (3) 18≤y≤44 и (4) 22≤z≤46.

Способ получения борсодержащего композиционного материала на основе алюминия // 2496899

Изобретение относится к области металлургии, в частности к борсодержащим алюмоматричным композиционным материалам, и может быть использовано при получении изделий, к которым предъявляются требования низкого удельного веса в сочетании с высоким уровнем поглощения при нейтронном излучении.

Способ получения наноразмерных порошков алюминий-кремниевых сплавов // 2493281

Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано для производства сплавов на основе алюминия, например, силуминов, применяемых в авиастроении, ракетной технике, машиностроении и других отраслях промышленности.

Способ получения порошкового материала на основе титана // 2555698

Изобретение относится к области порошковой металлургии. Готовят смесь, содержащую не более 65 мас.% порошка, полученного методом плазменного распыления титанового сплава ВТ-22, не менее 30 мас.% смеси технических порошков титана ПТМ и никеля ПНК, взятых в соотношении 1:1, и 3-5 мас.% полученного электролизом порошка меди ПМС-1 фракции менее 50 мкм.

Способ получения литого алюмоматричного композиционного сплава // 2555321

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению литых алюмоматричных композиционных сплавов. Способ включает плавление алюминия, введение в расплав порциями экзотермической шихты, состоящей из порошков титана и углерода, и перемешивание расплава, при этом перед введением в расплав экзотермическую шихту гранулируют с использованием связующего, являющегося флюсом и представляющим собой фторкаучук, с получением гранул размером 0,2-6,0 мм и содержанием сухого фторкаучука 1-2%, полученные гранулы вводят в расплав порциями в алюминиевой фольге толщиной 0,2-0,5 мм, а по окончании ввода шихты осуществляют выдержку расплава не менее 5 мин.

Способ получения высокопористого ячеистого материала на основе хромаля // 2555265

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ), предназначенных для использования в качестве фильтров, шумопоглотителей, носителей катализаторов, теплообменных систем, конструкционных материалов, работающих в условиях высоких температур, и может найти применение в энергетике, машиностроительной, химической и других отраслях промышленности.

Способ получения многослойного композита на основе никеля и алюминия с использованием комбинированной механической обработки // 2554834

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано для получения многослойных композитов на основе системы Ni-Al, а также прекурсоров для синтеза наноструктурных интерметаллических соединений данной системы.

Субстраты, содержащие переключаемые ферромагнитные наночастицы // 2554496

Группа изобретений относится к способу получения органических частиц субстрата, связанных с переключаемыми ферромагнитными наночастицами со средним диаметром частиц в интервале от 10 до 1000 нм, к применению таких частиц для гипертермического лечения организма и к медикаменту для гипертермического лечения.