Композиционный материал на основе алюминия или алюминиевого сплава и способ его получения

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литого композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, упрочненного дискретными волокнами Al2O3 наноразмерного диаметра, и может использоваться в различных областях техники в качестве конструкционного материала. Литой композиционный материал содержит матрицу из алюминия или алюминиевого сплава и упрочнитель, выполненный в виде конгломерата дискретных волокон оксида алюминия диаметром 10-20 нм и транспортных порошков меди размером 10-20 мкм, при этом суммарное содержание оксида алюминия и меди составляет 1 мас.%. Способ получения литого композиционного материала включает смешивание дискретных волокон оксида алюминия диаметром 10-20 нм и порошков меди размером 10-20 мкм в течение 30-40 мин, введение полученных конгломератов в расплав алюминия или алюминиевого сплава при температуре 750-800 °С, перемешивание со скоростью 600 об/мин с выдержкой в течение 10-15 мин для протекания процессов распределения дискретных волокон по объему расплава, затем перемешивание при контролируемом понижении температуры до 740-750 °C и разливку в формы. Изобретение направлено на повышение твердости и микротвердости композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава при сохранении его плотности. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, упрочненного дискретными волокнами Al2O3 диаметром нанодиапазона, который может быть использован в различных областях техники в качестве конструкционного материала, обладающего повышенной твердостью без увеличения плотности. К областям приоритетного применения относятся: космические системы, авиастроение, машиностроение, приборостроение, судостроение, железнодорожный и другой вид транспорта.

Известен способ изготовления порошкового композиционного материала, который содержит матрицу из алюминиевого или магниевого сплава, и 20-80 об.% упрочнителя, выполненного в виде армирующих нановолокон оксида алюминия, покрытых пленкой аморфного углерода (Патент РФ №2374355 от 27.11.2009). Недостатком предложенного изобретения является сложность технологии, необходимость применения специализированного оборудования, трудность изготовления образцов, опасность горения порошка и взрыва в процессе производства.

Известен также способ получения сплава на основе алюминия (патент РФ №2516679, от 20.05.2014), который получают механическим замешиванием дискретных керамических частиц углеродсодержащей боридной фазы C2Al3B48 размером 1-2 мкм в расплав в количестве 0,1- 0,6% по массе. Предлагаемый способ механического замешивания практически трудно осуществить по причине агломерации частиц и потери жидкотекучести расплава, к тому же способ не обеспечивает равномерного распределения частиц в матрице и, следовательно, стабильного уровня свойств ЛКМ.

В качестве прототипа был выбран литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения(Патент РФ №2353475 от 27.04.2009), заключающийся в смешивании в размольно-смесительном устройстве порошков матричного компонента из алюминиевого сплава Al+3%Mg и армирующих дискретных керамических частиц карбида кремния зернистостью 30-50 мкм в количестве 3-5 мас.% или 9-15 мас.%, брикетирование смеси под давлением 28-35 МПа, введение брикетов в расплав сплава Al+3%Mg, перемешивание расплава и разливка. Недостатком предложенного изобретения является большой размер наполнителя, неэффектифность изготовления композиционных материалов упрочненных наноразмерными наполнителями из-за проблемы введения наноразмерного армирующего фазы в расплав.

Задача, на решение которой направленно заявленное изобретение, заключается в разработке состава и способа производства литого композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, упрочненного дискретными волокнами Al2O3 диаметром нанодиапазона.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что предлагаемый литой композиционный материал на основе алюминия или алюминиевого сплава наполнен дискретными волокнами Al2O3 диаметром нанодиапазона. В качестве эффективного компонента, который с одной стороны может выступать легирующим элементом для матричного материала, а с другой - элементом, обеспечивающим транспортные функции при введении нанаволокон предложено использовать медь. Транспортирующий порошок меди предварительно перетирается с наполнителем, образуя некоторый конгломерат.

Способ поясняется графическими материалами: фиг.1, фиг.2. На фиг.1 представлена схема получения композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, упрочненного дискретными волокнами Al2O3 диаметром нанодиапазона. На фиг.2 показана схема получения конгломерата.

Предлагаемый способ получения литого композиционного материала состоит в перемешивании армирующих фаз, содержащих дискретные волокна оксида алюминия диаметром нанодиапазона (10-20 нм) и микронные порошки меди (10-20 мкм) с последующим механическим замешиванием конгломерата в матричный расплав.

Перемешивание армирующих фаз осуществляют в керамической ступке при комнатной температуре. Время перемешивания 30-40 минут со скоростью 60 об/минут. Полученный конгломерат вводят в матричный расплав, разогретый до 800±10°C, при условии постоянного перемешивания со скоростью 600 об/минут. В ходе исследований эмпирическим путем установлена оптимальная температура расплава, обеспечивающая должное усвоение наполняющего компонента. При 750-800°C расплав выдерживали в течение 10-15 мин для распределения наполнителя в объеме, затем перемешивали при контролируемом понижении температуры до 740-750°C и разливали. Последующая кристаллизация расплава проходила самопроизвольно.

По вышеизложенной технологии были изготовлены образцы для измерения физических и механических свойств. Характеристики испытуемых материалов приведены в табл. 1 и 2.

Таким образом, предлагаемый литой композиционный материал отличается от исходных матричных материалов лучшим комплексом свойств: повышением твердости на 41%, микротвердости на 22%. При сохранении плотности на уровне точности второго знака после запятой. Эффект упрочнения при введении нановолокон продемонстрирован в таблице 2 по уровню работы удара. Работа удара уменьшается на 53%.

Таблица 1
Материал Плотность
(г/см3)
Твердость
(НВ)
Микротвердость (HV0,1)
Исходный матричный материал Al 2,6917 19,07±1,36 26,1±2,91
Исходный материал
Al + 1% Cu материал
2,6736 22.42±1,64 29,94 ±2,26
Al + 1% (наноAl2O3 +Cu)
композиционный материал
2,6739 26,87±1,54 31,86±3,16

Таблица 2
Материал Работа удара (Дж)
Исходный матричный материал
Al
67,4±5,9
Исходный материал
Al + 1% Cu материал
22,5±2,2
Al + 1% (наноAl2O3 +Cu)
композиционный материал
31,3±1,1

1. Литой композиционный материал на основе алюминия или алюминиевого сплава, содержащий матрицу из алюминиевого сплава и упрочнитель, выполненный в виде конгломерата дискретных волокон оксида алюминия диаметром 10-20 нм и транспортных порошков меди размером 10-20 мкм, при этом суммарное содержание оксида алюминия и меди составляет 1 мас.%.

2. Способ получения литого композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, отличающийся тем, что он включает смешивание дискретных волокон оксида алюминия диаметром 10-20 мкм и порошков меди размером 10-20 мкм в течение 30-40 мин, введение полученных конгломератов в расплав алюминия или алюминиевого сплава при температуре 750-800 °С, перемешивание со скоростью 600 об/мин в течение 10-15 мин для протекания процессов распределения дискретных волокон по объему расплава алюминия или алюминиевого сплава, затем осуществляют перемешивание при контролируемом понижении температуры до 740-750 °С и разливку в формы для получения литых композиционных материалов.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию композиционных материалов пропиткой пористого каркаса, имеющих высокую электропроводность, антифрикционные свойства, стойкость в агрессивных средах. Способ получения углеграфитового композиционного материала включает вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, нанесение на нее четырехслойного гальванического покрытия, содержащего медный, серебряный и никелевый слои, ее пропитку расплавом матричного сплава свинца под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава свинца, при этом вакуумную дегазацию проводят в растворе никелевого электролита, содержащего 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния, 20 г/л сухой борной кислоты, а гальваническое покрытие последовательно наносят из внутреннего никелевого, промежуточных цинкового и медного и наружного серебряного слоев.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию композиционных материалов пропиткой пористого каркаса и может быть использовано для изготовления токосъемников, вставок пантографов, электрических щеток, уплотнителей и т.д. Способ получения углеграфитового композиционного материала включает вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, нанесение на нее гальванического покрытия и пропитку пористой заготовки расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава алюминия, при этом вакуумную дегазацию проводят в растворе никелевого электролита, содержащего 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния, 20 г/л сухой борной кислоты, а гальваническое покрытие последовательно наносят, выполняют из внутреннего никелевого, промежуточных цинкового и медного и наружного серебряного слоев.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию композиционных материалов пропиткой пористого каркаса, имеющих высокую электропроводность, антифрикционные свойства, стойкость в агрессивных средах. Cпособ получения углеграфитового композиционного материала включает вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе медного электролита, нанесение на заготовку двухслойного гальванического покрытия, включающего внутренний медный слой, ее пропитку в камере пропитки расплавом матричного сплава сурьмы под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава свинца в камере давления при нагреве на 100°С выше температуры ликвидус матричного сплава одновременно с расплавом свинца, при этом наружный слой гальванического покрытия, состоящего из 60 мас.% олова и 40 мас.% свинца, наносят электролизом из электролита, содержащего 35 г/л олова борфтористоводородного, 25 г/л свинца борфтористоводородного, 40 г/л кислоты борфтористоводородной, 25 мл/л кислоты борной, 3 г/л клея мездрового, 0,5 г/л гидрохинона.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию композиционных материалов пропиткой пористого каркаса, имеющих высокую электропроводность, антифрикционные свойства, стойкость в агрессивных средах. Технический результат достигается в способе получения углеграфитового композиционного материала, включающем вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, нанесение на пористую заготовку медьсодержащего гальванического покрытия, ее пропитку в камере пропитки расплавом матричного сплава сурьмы под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава свинца в камере давления при нагреве на 100°С выше температуры ликвидус матричного сплава одновременно с расплавом свинца, при этом в качестве раствора электролита используют состав, содержащий 40 г/л сернокислой меди, 40 г/л сернокислого олова, 8 г/л фенола, 70 г/л серной кислоты, 0,0005 г/л тиомочевины, и наносят гальваническое покрытие, состоящее из 80% меди и 20% олова.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию композиционных материалов пропиткой углеграфитового пористого каркаса, имеющих высокую электропроводность, антифрикционные свойства, стойкость в агрессивных средах. Cпособ получения углеграфитового композиционного материала включает вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, содержащего 40 г/л сернокислой меди, 40 г/л сернокислого олова, 8 г/л фенола, 70 г/л серной кислоты, 0,0005 г/л тиомочевины, нанесение на пористую заготовку слоя гальванического покрытия, состоящего из 80% меди и 20% олова, размещение заготовки с покрытием в камере для пропитки, на 2/3 заполненной расплавом сплава свинца, пропитку под воздействием избыточного давления за счет теплового и термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава свинца.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию углеграфитовых композиционных материалов с металлической матрицей, имеющих высокую электропроводность, антифрикционные свойства и стойкость в агрессивных средах. Способ получения углеграфитового композиционного материала включает вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, нанесение на нее гальванического покрытия, содержащего последовательно нанесенные внутренний никелевый, промежуточный цинковый и наружный медный слои, ее пропитку в камере пропитки расплавом матричного медно-фосфористого сплава под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава свинца в камере давления при нагреве на 100°С выше температуры ликвидус матричного медно-фосфористого сплава одновременно с расплавом свинца, при этом вакуумную дегазацию проводят в растворе никелевого электролита, содержащего 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния, 20 г/л сухой борной кислоты, а углеграфитовую заготовку помещают в камеру пропитки при температуре расплава свинца в камере давления на 5-10°С ниже температуры ликвидус сплава свинца.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию углеграфитовых композиционных материалов с металлической матрицей, имеющих высокую электропроводность, антифрикционные свойства и стойкость в агрессивных средах. Способ получения углеграфитового композиционного материала включает вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе никелевого электролита, содержащего 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния, 20 г/л сухой борной кислоты, последовательное нанесение на нее гальванического покрытия, содержащего внутренний никелевый, промежуточный цинковый и наружный медный слои, и пропитку в камере пропитки расплавом матричного сплава сурьмы под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава свинца в камере давления при его одновременном нагреве на 100°С выше температуры ликвидус матричного сплава сурьмы, причем углеграфитовую заготовку помещают в камеру пропитки при температуре расплава свинца в камере давления на 5-10°С ниже температуры ликвидус сплава свинца.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию композиционных материалов пропиткой пористого каркаса, и может быть использовано при изготовлении токосъемников, вкладышей подшипников скольжения, уплотнителей и т.д. Способ получения углеграфитового композиционного материала включает вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, нанесение на нее медьсодержащего гальванического покрытия, размещение углеграфитовой заготовки с нанесенным гальваническим покрытием в камере пропитки и пропитку расплавом матричного медно-фосфористого сплава под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава свинца в камере давления при нагреве на 100°С выше температуры ликвидус матричного сплава при одновременном их нагреве, при этом в качестве раствора электролита используют состав, содержащий 40 г/л сернокислой меди, 40 г/л сернокислого олова, 8 г/л фенола, 70 г/л серной кислоты, 0,0005 г/л тиомочевины, наносят гальваническое покрытие, состоящее из 80% меди и 20% олова, а углеграфитовую заготовку помещают в камеру пропитки при температуре расплава свинца в камере давления на 5-10°С ниже температуры ликвидус сплава свинца.

Изобретение относится к технологии получения новых композиционных материалов с углеволокном и может быть использовано, в частности, для изготовления элементов конструкций в авиационной, ракетно-космической и морской технике. Способ получения композиционного материала, содержащего углеволокно и металл, включает сборку пакета, состоящего из чередующихся слоев металлического листа и армирующего углеволокна, и пропитку слоя армирующего углеволокна образующимся при нагреве эвтектическим расплавом, при этом перед сборкой в пакет на поверхности металлического листа или ленты из титанового или никелевого сплава формируют слой, содержащий никель, титан или никель и титан, нагрев пакета осуществляют до температуры, превышающей температуру плавления эвтектики не более чем на 100°С, а пропитку слоя армирующего углеволокна проводят в направлении, перпендикулярном его плоскости, образующимся расплавом эвтектики Ti-Ti2Ni.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения литейных композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов, и может быть использовано при производстве изделий из деформируемых алюминиевых сплавов. Способ получения литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного волокнами, включает приготовление расплава из алюминиевого сплава, введение в него путем замешивания армирующих волокон из алюминиевого сплава того же состава, полученных методом экструзии гранул, и затвердевание расплава, при этом приготовление расплава, введение в него армирующих волокон и их замешивание осуществляют в тигельной вакуумной индукционной высокочастотной печи при разрежении 0,799-1,066 Па, после чего производят заливку полученного расплава в металлическую форму, расположенную внутри вакуумной камеры, которую извлекают после затвердевания расплава.

Изобретение относится к получению высокотеплопроводных композитных алюминий-графитовых материалов и может быть использовано в электронике, приборостроении, энергетическом машиностроении. Cпособ получения высокотеплопроводного композитного алюминий-графитового материала включает приготовление смеси порошков, содержащей высококристаллический чешуйчатый графит с размером частиц в плоскости от 100 мкм до 1000 мкм и толщиной от 5 мкм до 20 мкм с аспектным отношением от 5 до 200 и степенью кристалличности не менее 97% и порошок кремния и/или порошок алюминиевого сплава с 3- 12 мас.% кремния, со средним размером частиц 1-20 мкм, при соотношении компонентов в смеси, мас.%: чешуйчатый графит 40-80, порошок кремния и/или алюминиевого сплава 20-60, изготовление из нее пористой графитовой преформы путем послойного вибропрессования в металлической форме при толщине насыпки каждого слоя 3-8 мм, частоте вибрации 80-120 Гц, давлении прессования 150-250 кПа, длительности прессования каждого слоя 60-90 секунд, нагрев формы с графитовой преформой до температуры 550-650°С в присутствии воздуха, пропитку пористой графитовой преформы расплавом алюминиевого сплава под давлением, оказываемым гидравлическим прессом.
Наверх