Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора, и способ его получения

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к плавке и литью сплавов цветных металлов, и предназначено для изготовления композиционных материалов на основе алюминиевого сплава с низким коэффициентом термического расширения для деталей автомобилестроения. Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора В4С, содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: медь 4-6, карбид бора 1-8, алюминий - остальное. Способ получения композиционного материала включает плавление алюминия и меди технической чистоты в графито-шамотном тигле в электрической печи сопротивления, введение в расплав при температуре 850-950°С частиц В4С размером 1-20 мкм путем механического замешивания со скоростью вращения 450 об/мин с помощью четырехлопастной титановой лопатки и заливки расплава в матрицу с последующей кристаллизацией под давлением 50-200 МПа. Техническим результатом изобретения является получение композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного карбидом бора, с низким коэффициентом термического расширения. 2 н.п. ф-лы, 3 пр., 10 ил.

 

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к плавке и литью сплавов цветных металлов, и предназначено для изготовления композиционных материалов на основе алюминиевого сплава с низким коэффициентом термического расширения для деталей автомобилестроения.

Как известно, поршневые силумины (сплавы на основе системы Al-Si) обладают уникальным комплексом свойств, таких как низкий коэффициент термического расширения (КТР), высокая износостойкость, технологичность при литье, однако уровень их механических свойств, как при комнатной, так и при повышенных температурах уступает большинству литейных алюминиевых сплавов. Проблему повышения механических характеристик при повышенных температурах без потери комплекса остальных свойств могут решить композиционные материалы (КМ). Исследования и разработки КМ на основе алюминиевых сплавов, армированных частицами SiC, Al2O3 и некоторыми другими, показывают возможность разработки сплавов с более высоким комплексом свойств. Такие соединения, как SiC, SiO2, AlN, BN, Si3N4, B4C, имеют более низкий КТР, чем кремний (менее 4⋅10-6 °C-1), что может позволить использовать их в качестве армирующих частиц при разработке КМ с уникальным комплексом свойств. Наиболее перспективными могут стать частицы B4C, введение которых в расплав алюминия не требует трудоемкой предварительной обработки. В настоящем патенте предлагается способ получения КМ на основе сплава Al-5% Cu с низким коэффициентом термического расширения.

Известны два основных способа получения КМ: методами порошковой металлургии и механического замешивания в расплав.

В патенте CN 1540019 A (опубликован 09.11.2005) описывается способ получения композиционного материала на основе алюминия, содержащего частицы TiC и Al2O3 в количестве 3-35 масс. %. Замешивание механически активированной смеси TiC и Al2O3, полученной в планетарной мельнице, производилось в индукционной печи при температуре 1200°C с выдержкой 3-10 минут для прохождения реакций взаимодействия между компонентами. Дальнейшая разливка осуществлялась под давлением в графитовую изложницу. Недостатком данного изобретение является применение энергозатратной технологии механического легирования, приводящей к увеличению длительности производства и стоимости конечного продукта.

В патенте CN 1327014 C (приоритет 02.06.2005) описывается композиционный материал, армированный квазикристаллическими частицами AlCuFe, и способ его получения. Способ получения заключается в замешивании квазикристаллических частиц состава AlxCuyFez, где x, y, z - атомный процент (x+y+z=100), 62≤x≤67, 21≤y≤26, 12≤z≤15, размером 20-100 мкм, в расплаве алюминиевого сплава состава AlaMbNc, где a, b, c - массовые проценты (a+b+с=100): 86≤a≤100, 0≤b≤13, 0≤c≤1, а M представляет один из элементов Mg, Cu, Si, Zn, N - один из элементов Fe, Ni, Cr. Разливка расплава осуществляется под давлением. Основным недостатком данного изобретения является высокая стоимость получения квазикристаллического порошка путем атомизации (распыления расплава под высоким давлением аргона).

В документе CN 1422971 A (опубликован 24.05.2006) описывается композиционный материал на основе алюминия и способ его получения. Материал предназначен для изготовления поршней автомобильных двигателей и содержит кремний (9-16%), медь (0,5-2,5%), никель (0,5-2,0%), магний (0,2-1,5%), титан (0,2-2,0), а также армированный частицами Al2O3 и TiC в количестве 5-15 масс. %.

В патенте CN 102534314 A (опубликован 19.08.2013) описывается композиционный материал на основе алюминия, армированный частицами гексаборида лантана, и способ его получения. Материал содержит 5-20% Si, 0.68-6.82% La, 0.32-3.18% B. Материал получается сплавлением чистых алюминия, лантана, кремния и лигатуры алюминий - бор при температуре 800-1200°C и обычным литьем. Армирование происходит за счет взаимодействия лантана и алюминия в жидком расплаве.

В патенте US 13554896 (опубликован 25.07.2013) описывается метод получения композиционного материал на основе алюминия, армированного частицами TiC, TiB2, V, Zr, заключающийся в интенсивном перемешивании расплава алюминия сжатым инертным газом для равномерного распределения армирующих частиц. Недостатком изобретений CN 1422971 A, CN 102534314 A и US 13554896 является отсутствие давления при кристаллизации, что приводит к повышенной пористости изделий и, как следствие, к снижению механических свойств.

В патенте CN 103757449 A (опубликован 30.04.2014) описывается композиционный материал на основе алюминия, армированный частицами TiB2. Метод получения материала заключается в замешивании частиц TiB2 в расплав алюминия при температуре 1100°C-1400°C и литье под давлением. Недостатком данного изобретения является высокая температура замешивания частиц, при которой происходит сильное окисление расплава и появление большого количество неметаллических включений, что приводит к снижению механических свойств.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является патент US 12897651 (опубликован 05.04.2012), предложен композиционный материал на основе алюминия, армированный частицами Al2O3, SiC, C, SiO2, B, BN, B4C и AlN в количестве более 10% размером 0,1-1 мкм. В качестве алюминиевой матрицы может быть использован один из сплавов систем Al-Si, Al-Cu, серий 2xxx, 6xxx. Недостатком данного изобретения является отсутствие давления при кристаллизации, что приводит к повышенной пористости изделий и, как следствие, снижение механических свойств.

Техническим результатом данного изобретения является композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора, с низким коэффициентом термического расширения. Технический результат достигается за счет сплавления металлов алюминия (86-95 масс. %) и меди (4-6 масс. %) технической чистоты в графито-шамотном тигле в электрической печи сопротивления, введения в расплав при температуре 850-950°С частиц карбида бора (1-8 масс. %) размером 1-20 мкм путем механического замешивания со скоростью вращения 450 об/мин с помощью четырехлопастной титановой лопатки (Фиг. 1) и заливки расплава в матрицу с последующей кристаллизацией под давлением 50-200 МПа. Четырехлопастная титановая лопатка имеет следующие характеристики: две пары лопастей толщиной 2 мм, шириной 25 мм и длиной 70 мм расположены на прутке диаметром 10 мм на расстоянии 30 мм друг от друга. Оси лопастей расположены под углом 90 градусов друг к другу и к оси прутка. Каждая лопасть имеет загиб под углом 30 градусов.

Описание чертежей

Фиг. 1 - Внешний вид сконструированной четырехлопастной титановой лопатки.

Фиг. 2 - Микроструктура композиционного материала Al-5%Cu-2%В4С.

Фиг. 3 - Рентгенограмма композиционного материала Al-5%Cu-2%В4С.

Фиг. 4 - Микроструктура композиционного материала Al-5%Cu-5%В4С.

Фиг. 5 - Рентгенограмма композиционного материала Al-5%Cu-5%В4С.

Фиг. 6 - Микроструктура композиционного материала Al-5%Cu-7%В4С.

Фиг. 7 - Рентгенограмма композиционного материала Al-5%Cu-7%В4С.

Фиг. 8 - Пористость матрицы и композиционных материалов.

Фиг. 9 - Коэффициент термического расширения в интервале 20-200°С матрицы и композиционных материалов.

Фиг. 10 - Термокинетические кривые старения матрицы и композиционных материалов.

Осуществление изобретения.

Для решения поставленной задачи предлагается следующая технология: в расплав алюминия марки А85 при температуре 900°C вводится медь марки М0, после растворения меди предварительно подогретый до 250°C порошок карбида бора размера 1-20 мкм с помощью титановой трубки с воронкой вводят в расплав при его постоянном перемешивании четырехлопастной титановой лопаткой, затем расплав заливают в цилиндрическую стальную изложницу, разогретую до 250°C, и проводят прессование расплава давлением в 50-200 МПа. Температура расплава 900°C выбрана, поскольку, начиная примерно с этой температуры, существенно повышается смачиваемость частиц расплавом, а при более высоких происходит сильное окисление и газонасыщение. Подогрев частиц до температур более 250°C приводил к частичному спеканию порошка, что существенно затрудняло его ведение. Скорость вращения четырехлопастной титановой лопатки подбиралась эмпирически из двух соображений: во-первых, для введения частиц необходимо было создать воронку в расплаве, во-вторых, при очень высоких скоростях происходило сильное газонасыщение расплава. Оптимально подобранная скорость составила примерно 450 об/мин.

Исследование структуры сплавов проводят с использованием растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Оценку механических свойств проводили по результатам измерения твердости методом Виккерса (HV). Определение пористости осуществляли по отклонению теоретической плотности от экспериментальной методом гидростатического взвешивания. Средний линейный коэффициент термического расширения (КТР) определяли с использованием дилатометра Linseis L75 в температурном интервале 20-200°C.

Пример 1

КМ состава Al-5% Cu-2% B4C был получен следующим образом.

Для приготовления КМ использовались чистые металлы: алюминий и медь и частицы карбида бора размером 1-20 мкм. Плавку вели в графито-шамотных тиглях в печи сопротивления фирмы «Nabertherm». Разливку осуществляли при температуре 900°C в цилиндрическую стальную форму с диаметром 50 мм и под давлением в 100 МПа проводили прессование расплава.

После получения слитка образец исследовали методом рентгеноструктурного анализа и на растровом электронном микроскопе. На Фиг. 2 представлена микроструктура, а на Фиг. 3 рентгенограмма полученного образца. Как видно, структура представлена неравновесными включениями фазы Al2Cu, а частицы B4C однородно распределены в матрице (Фиг. 2). Кристаллизация под давлением приводит к повышению смачиваемости частиц расплавом, в результате чего на межфазной границе частица/матрица образуются фазы AlB2 и Al3BC (Фиг. 3). Пористость КМ Al-5% Cu-2% B4C незначительно повышается с 0,75 до 1,2% (Фиг. 8) (на Фиг. 8 (М) - сокращенное наименование матрицы Al-5% Cu), коэффициент термического расширения в интервале 20-200°C уменьшается на 0,9⋅10-6 °C-1 (Фиг. 9) (на Фиг. 9 (М) - сокращенное наименование матрицы Al-5% Cu), максимальная твердость в состаренном при 200°C выше на 6 HV (Фиг. 10) в сравнении с матричным сплавом.

Пример 2

КМ состава Al-5% Cu-5% B4C был получен следующим образом.

Для приготовления КМ использовались чистые металлы: алюминий и медь и частицы карбида бора размером 1-20 мкм. Плавку вели в графито-шамотных тиглях в печи сопротивления фирмы «Nabertherm». Разливку осуществляли при температуре 900°C в цилиндрическую стальную форму с диаметром 50 мм и под давлением в 130 МПа проводили прессование расплава.

После получения слитка образец исследовали методом рентгеноструктурного анализа и на растровом электронном микроскопе. На Фиг. 4 представлена микроструктура, а на Фиг. 5 рентгенограмма полученного образца. Как видно, структура представлена неравновесными включениями фазы Al2Cu, а частицы B4C однородно распределены в матрице (Фиг. 4). Кристаллизация под давлением приводит к повышению смачиваемости частиц расплавом, в результате чего на межфазной границе частица/матрица образуются фазы AlB2 и Al3BC (Фиг. 5). Пористость КМ Al-5% Cu-5% B4C незначительно повышается с 0,75 до 0,9% (Фиг. 8), коэффициент термического расширения в интервале 20-200°C уменьшается на 1,9⋅10-6 °C-1 (Фиг. 9), максимальная твердость в состаренном при 200°C выше на 16 HV (Фиг. 10) в сравнении с матричным сплавом.

Пример 3.

КМ состава Al-5% Cu-7% B4C был получен следующим образом:

Для приготовления КМ использовались чистые металлы: алюминий и медь и частицы карбида бора размером 1-20 мкм. Плавку вели в графито-шамотных тиглях в печи сопротивления фирмы «Nabertherm». Разливку осуществляли при температуре 900°C в цилиндрическую стальную форму с диаметром 50 мм и под давлением в 90 МПа проводили прессование расплава.

После получения слитка образец исследовали методом рентгеноструктурного анализа и на растровом электронном микроскопе. На Фиг. 6 представлена микроструктура, а на Фиг. 7 рентгенограмма полученного образца. Как видно, структура представлена неравновесными включениями фазы Al2Cu, а частицы B4C однородно распределены в матрице (Фиг. 6). Кристаллизация под давлением приводит к повышению смачиваемости частиц расплавом, в результате чего на межфазной границе частица/матрица образуются фазы AlB2 и Al3BC (Фиг. 7). Пористость КМ Al-5% Cu-5% B4C практически не изменяется (Фиг. 8), коэффициент термического расширения в интервале 20-200°C уменьшается на 2,6⋅10-6 °C-1 (Фиг. 9), максимальная твердость в состаренном при 200°C выше на 19 HV (Фиг. 10) в сравнении с матричным сплавом.

1. Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора В4С, отличающийся тем, что он содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас. %:

медь 4-6
карбид бора 1-8
алюминий остальное

2. Способ получения композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного карбидом бора В4С, включающий плавление алюминия и меди технической чистоты в графито-шамотном тигле в электрической печи сопротивления, введение в расплав при температуре 850-950°С частиц В4С размером 1-20 мкм путем механического замешивания со скоростью вращения 450 об/мин с помощью четырехлопастной титановой лопатки и заливки расплава в матрицу с последующей кристаллизацией под давлением 50-200 МПа.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к металлургии, в частности к алюминиевым сплавам Al-Mg-Si, которые могут быть использованы для изготовления полуфабрикатов и изделий в различных отраслях промышленности методом сверхпластической формовки.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к борсодержащим алюминиевым сплавам, к которым предъявляют требования по поглощению нейтронного излучения в сочетании с низким удельным весом и высокой прочностью.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к борсодержащим алюминиевым сплавам, к которым предъявляют требования по поглощению нейтронного излучения в сочетании с низким удельным весом и высокой прочностью.
Изобретение относится к продуктам из алюминиевого сплава типа Al-Cu-Li и может быть использовано в качестве конструктивных элементов в авиации, космонавтике и т.д. 1.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к борсодержащим материалам на основе алюминия, получаемым в виде слитков и предназначено для получения листового проката, в том числе толщиной менее 0,3 мм, к которому предъявляются требования низкого удельного веса и повышенной прочности в сочетании с радиационнозащитными свойствами.

Изобретение относится к получению порошка квазикристаллического сплава Al-Cu-Fe. Порошки металлов шихтуют в соотношении, соответствующем области существования квазикристаллической фазы сплава системы Al-Cu-Fe.

Изобретение может быть использовано при изготовлении присадочных материалов для сварки алюминиевых сплавов, в частности сварных конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Li.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изделиям из алюминиево-литиевых сплавов 2ххх, которые не чувствительны к наклепу. Изделие из алюминиевого сплава, полученное обработкой давлением, содержит, вес.%: от 2,75 до 5,0 Cu, от 0,2 до 0,8 Mg, причем значение отношения меди к магнию (Cu/Mg) составляет от 8,0 до 16, от 0,1 до 1,10 Li, от 0,30 до 2,0 Ag, от 0,40 до 1,5 Zn, ≤1,0 Mn и остальное - Al и примеси.

Изобретение может быть использовано при получении паяных конструкций из алюминия и его сплавов. Припой содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: кремний 5-13, медь 1-13,5, цинк 2-10, никель 0,5-4,5, олово 0,1-0,3, по меньшей мере один элемент из группы, включающей стронций 0,001-0,2, натрий 0,001-0,2, титан 0,001-0,1, ванадий 0,001-0,2, по меньшей мере один элемент, выбранный из группы кобальт 0,001-0,8, молибден 0,001-0,8, бериллий 0,001-0,1, алюминий остальное.

Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ получения порошка квазикристаллического материала системы Al-Cu-Fe включает перемешивание порошков алюминия, меди и железа при соотношении компонентов, соответствующем области существования квазикристаллической фазы сплава системы Al-Cu-Fe, нагрев полученной смеси в камере в бескислородной атмосфере с последующим измельчением спека до получения порошка заданной дисперсности.

Изобретение относится к получению гранул пенометалла. Способ включает смешивание порошка металла с водорастворимой, не смачиваемой металлом солью, имеющей температуру плавления, большую температуры плавления металла.

Изобретение относится к изготовлению распыляемой композитной мишени, содержащей фазу сплава Гейслера Co2FeSi, которая может быть использована при производстве микроэлектроники.

Изобретение относится к производству алюминия, в частности к получению титансодержащих алюминиевых сплавов и лигатур, и может быть использовано в алюминиевой, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности, изготавливающих модифицированные деформируемые и литейные алюминиевые сплавы и изделия из них.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения листов из алюминиевых сплавов на основе системы алюминий-магний-марганец, применяемых для изготовления ряда ответственных конструкций в судостроении, авиационной и ракетной промышленности, в вагоностроении для скоростных поездов, а также для изготовления корпусов автомобилей.
Изобретение относится к изготовлению твердосплавных гранул, включающий смешивание порошков карбида вольфрама и кобальта, пластифицирование полученной смеси с использованием растворенного в бензине каучука, прессование, размол, ситовое разделение на фракции с отсевом гранул размером до 400 мкм и не менее 130 мкм, смешивание отсеянных гранул с порошком более мелкодисперсной инертной не спекаемой засыпки, отжиг, выделение спеченных гранул путем ситового отсева инертной порошковой засыпки.
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве лигатур на основе меди, никеля, магния и алюминия. При производстве лигатуры шихтовые материалы в виде гранул чистых металлов размером от 1 до 10 мм, таких как никель, медь и магний смешивают в требуемых пропорциях и подвергают брикетированию, при этом размер гранул каждого компонента уменьшается пропорционально увеличению температуры его плавления.

Изобретение относится к получению композиционного металломатричного материала, армированного сверхупругими сверхтвердыми углеродными частицами. Способ включает приготовление смеси порошков металла и фуллеритов и ее прессование при давлении 5-8 ГПа и температурах 800-1000°С с обеспечением образования сверхтвердых углеродных частиц.

Изобретение относится к получению интерметаллидного ортосплава на основе титана. Способ включает перемешивание порошков титана и ниобия с обеспечением механического легирования порошка титана порошком ниобия в течение 8-24 ч, затем проводят механическое перемешивание легированного ниобием порошка титана с порошком алюминия.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству литейных жаропрочных углеродсодержащих и безуглеродистных сплавов на никелевой основе, и может быть использовано для литья лопаток газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ получения металлического порошка включает выбор исходного сырья и его измельчение с контролем удельной поверхности полученного порошка, при этом определяют удельную поверхность исходного сырья, а выбор сырья и его измельчение производят в соответствии с условием: , где Sуд.с - удельная поверхность исходного сырья (м2/г), Sуд.п - удельная поверхность полученного порошка (м2/г).

Изобретение относится к области металлургии алюминия, в частности к технологии внепечного модифицирования, и может быть использовано для получения слитков из алюминиевых сплавов повышенного качества для изготовления изделий авиакосмической и автомобильной промышленности. Способ литья изделий из алюминиевых сплавов включает приготовление расплава алюминия в миксере, введение в расплав лигатуры Al-Ti-B, дегазацию расплава алюминия, содержащего лигатуру, повторное введение лигатуры, фильтрацию полученного расплава алюминия и подачу отфильтрованного расплава в кристаллизатор, причем соотношение количества подаваемой лигатуры на первой стадии и повторной стадии составляет от 1:1 до 9:1. Изобретение направлено на повышение степени эффективности модифицирования лигатурой расплава алюминия без дополнительных конструктивных изменений в существующих линиях литья алюминиевых слитков, что позволяет снизить затраты на модифицирование сплавов, а также снизить размер зерна получаемых сплавов и повысить пластические и механические свойства получаемых литых слитков и изделий из них. 15 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к плавке и литью сплавов цветных металлов, и предназначено для изготовления композиционных материалов на основе алюминиевого сплава с низким коэффициентом термического расширения для деталей автомобилестроения. Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора В4С, содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.: медь 4-6, карбид бора 1-8, алюминий - остальное. Способ получения композиционного материала включает плавление алюминия и меди технической чистоты в графито-шамотном тигле в электрической печи сопротивления, введение в расплав при температуре 850-950°С частиц В4С размером 1-20 мкм путем механического замешивания со скоростью вращения 450 обмин с помощью четырехлопастной титановой лопатки и заливки расплава в матрицу с последующей кристаллизацией под давлением 50-200 МПа. Техническим результатом изобретения является получение композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного карбидом бора, с низким коэффициентом термического расширения. 2 н.п. ф-лы, 3 пр., 10 ил.

Наверх