Способ изготовления литейного металломатричного композита

 

Изобретение относится к производству композиционных материалов и может быть использовано в металлургии, машиностроении, электротехнике и электронике. Способ включает нагрев матричного компонента, расплавление матричного компонента, внесение в расплав твердых частиц армирующего компонента, поддержание матричного компонента в расплавленном состоянии и перемешивание его с твердыми частицами армирующего компонента, при этом дополнительно после внесения в расплав матричного компонента твердых частиц армирующего компонента полученную смесь обрабатывают взрывом. Обработку взрывом осуществляют при поддержании матричного компонента в жидком расплавленном состоянии при температуре 1,0 - 1,25 температуры плавления матричного компонента, то есть методом жидкофазного взрыва. Матричный компонент, находившийся в расплавленном состоянии после внесения в расплав твердых частиц армирующего компонента, охлаждают для затвердевания перед обработкой взрывом до (-150)-0^oC, до 0-(+100)^oC, до (0,2 - 0,8) температуры плавления матричного компонента, а после обработки взрывом переводят в расплавленное состояние и осуществляют дополнительно 1 - 5 циклов обработки взрывом, причем после каждого цикла обработки взрывом осуществляют перемешивание смеси. Способ позволяет повысить механические свойства и стабильность характеристик по всему сечению изделия, а также снизить стоимость производства композитов. 7 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области композиционных материалов и может быть применено в металлургии, машиностроении, электротехнике и электронике.

Известны способы изготовления литейных металло-матричных композитов, включающий нагрев матричного компонента, расплавление матричного компонента, внесение в расплав твердых частиц армирующего компонента, поддержание матричного компонента в расплавленном состоянии и перемешивание его с твердыми частицами армирующего компонента [G.S.Hanumanth, G.A.Irons "Particle incorporation by melt stirring for the production of metal-matrix composites". Journal of material science, 28 (1993) 2459-2465; O.T.Midling and O.Grong "Processing and properties of particle reinforced Al-SiC MMCs" Key Engineering Materials Vols. 104-107 (1995) pp. 329-354]. Известные способы позволяют получать литейные металло-матричные композиты, однако они являются дорогостоящими, так как требуют проведения перемешивания в течение нескольких суток, что требует специального оборудования и приводит к значительным затратам энергии, которая расходуется на нагрев и работу перемешивающего оборудования. При этом не всегда достигается стабильность характеристик но объему изделия и уровень механических свойств является сравнительно низким, это объясняется, с одной стороны, тем, что во время длительного нагрева и перемешивания происходит загрязнение расплава, а с другой стороны, обычными методами обработки давлением подвергнуть металло-матричный композит нельзя.

Техническим результатом изобретения является повышение у литейных металло-матричных композитов механических свойств и стабильности характеристик по всему сечению изделия, а также снижение стоимости производства литейных металло-матричных композитов.

Технический результат достигается посредством того, что в способе изготовления литейного металло-матричного композита, включающем нагрев матричного компонента, расплавление матричного компонента, внесение в расплав твердых частиц армирующего компонента, поддержание матричного компонента в расплавленном состоянии и перемешивание его с твердыми частицами армирующего компонента, согласно изобретению, дополнительно после внесения в расплав матричного компонента твердых частиц армирующего компонента полученную смесь обрабатывают взрывом.

Технический результат достигается также посредством того, что обработку взрывом расплава матричного компонента с твердыми частицами армирующего компонента осуществляют при поддержании матричного компонента в жидком расплавленном состоянии при температуре (1,0 - 1,25) температуры плавления матричного компонента, то есть методом жидкофазного взрыва.

Технический результат достигается также посредством того, что матричный компонент, находившийся в расплавленном состоянии после внесения в расплав твердых частиц армирующего компонента, охлаждают для затвердевания перед обработкой взрывом.

Технический результат достигается также посредством того, что охлаждение смеси матричного компонента с армирующим компонентом осуществляют до (-150)-0^oC.

Технический результат достигается также посредством того, что охлаждение смеси матричного компонента с армирующим компонентом осуществляют до 0-(+100)^oC.

Технический результат достигается также посредством того, что охлаждение смеси матричного компонента с армирующим компонентом осуществляют до (0,2-0,8) температуры плавления матричною компонента.

Технический результат достигается также посредством того, что после обработки взрывом и перемешивания осуществляют дополнительно 1-5 циклов обработки взрывом, причем после каждого цикла обработки взрывом осуществляют перемешивание смеси расплавленного матричного компонента с твердыми частицами армирующею компонента.

Технический результат достигается также посредством того, что дополнительные циклы обработки взрывом осуществляют попеременно в твердом и жидком состояниях.

Для повышения у металло-матричных композитов механических свойств и стабильности характеристик по всему сечению изделия, а также для снижения стоимости производства металло-матричного композита предложено в способе изготовления литейного металло-матричного композита, включающем нагрев матричного компонента, расплавление матричного компонента, внесение в расплав твердых частиц армирующего компонента, поддержание матричного компонента в расплавленном состоянии и перемешивание его с твердыми частицами армирующего компонента, согласно изобретению, дополнительно после внесения в расплав матричного компонента твердых частиц армирующего компонента полученную смесь обрабатывают взрывом.

Предложенная совокупность операций позволяет получить новое качество: увеличение уровня механических свойств, увеличение стабильности характеристик по сечению, снижение стоимости производства композиционного материала. Известные способы получения литейных металло-матричных композитов заключаются в смешивании расплава (который при затвердевании станет матрицей) с частицами (порошком) армирующего компонента. Практически во всех комбинациях металло-матричных композитов отсутствует смачивание расплавом матрицы частиц армирующего компонента. Для замешивания порошка в расплав приходится перемешивание осуществлять в течение нескольких суток. Способ по изобретению позволяет значительно снизить время перемешивания за счет того, что при обработке взрывом под действием высоких давлений происходят "структурные" изменения на границе жидкости (расплава матричного компонента) с твердым телом (твердые порошинки армирующего компонента). Эти изменения на микроуровне приводят к повышению смачиваемости на границе расплавленного матричного компонента и твердого армирующего компонента. Процесс замешивания порошка армирующего компонента в расплав матрицы значительно сокращается. Это и приводит к увеличению уровня механических свойств и повышению стабильности характеристик материала по сечению изделия, так как снижается отрицательное влияние длительного периода перемешивания расплава матрицы с порошком армирующего элемента (отрицательное влияние - это неизбежное загрязнение материала в процессе длительного нагрева и перемешивания от контакта с технологическим оборудованием и инструментов и от химических реакций в смесях). Снижение отрицательного влияния длительности перемешивания и приводит к достижению повышенных значений механических свойств и стабильности характеристик по сечению изделий. Итак, операцию обработки взрывом включают в технологическую цепочку для того, чтобы увеличить смачиваемость, так как обработка взрывом позволяет изменять структуру контактных слоев твердой и жидкой фаз.

В способе возможно также обработку взрывом расплава матричного компонента с твердыми частицами армирующего компонента осуществлять при поддержании матричного компонента в жидком расплавленном состоянии при температуре (1,0 - 1,25) температуры плавления матричного компонента. В этом случае высокое давление практически равномерно будет действовать абсолютно по всей контактной поверхности всех частиц порошка армирующего компонента практически с одной и той же эффективностью, то есть в этих условиях возможно достичь максимально доступного повышения механических свойств и возможно достигнуть максимально возможной однородности распределения свойств но сечению изделия. Нижнее значение интервала температур - это температура плавления, то есть перевода в жидкое агрегатное состояние. Нагрев выше, чем 1,25 температуры плавления матричного компонента, приводит к газонасыщению матричного компонента, а также интенсифицирует химическое взаимодействие между матричным и армирующим компонентами, что снижает механические характеристики материала.

В способе возможно также матричный компонент, находящийся в расплавленном состоянии после внесения в расплав твердых частиц армирующего компонента, охлаждать для затвердевания перед обработкой взрывом. Следует заметить, что обработка взрывом матричного компонента весьма эффективна с точки зрения достижения технических результатов, однако, такая обработка требует сложного технологического оборудования, то есть дополнительных экономических затрат, а в целом ряде случаев применения металло-матричных композитов экономический фактор играет весьма решающую роль. Поэтому и предложено обработку металло-матричный композита взрывом осуществлять после охлаждения и затвердевания. Обработка взрывом позволяет сваривать разнородные материалы. В результате обработки взрывом металло-матричного композита происходит сваривание матричною компонента с частицами армирующего компонента. При дальнейшем расплавлении в местах сваривания наблюдается повышенная смачиваемость, что позволяет резко сократить время перемешивания. Это приводит к улучшению механических показателей, то есть способ является весьма эффективным с точки зрения повышения механических характеристик и экономических показателей.

В способе возможно также охлаждение смеси матричного компонента с армирующим компонентом осуществлять до (-150)-0^oC. Осуществление операции обработки взрывом в этом температурном интервале позволяет значительно снизить отрицательное влияние окислов на границах раздела матричного компонента с частицами армирующего компонента, так как при этих температурах окислы становятся хрупкими, их разрушение происходит значительно легче, что обличает процессы сваривания матричного компонента с частицами армирующего компонента. Как уже отмечалось, по местам сварки при дальнейшем расплавлении наблюдается повышенная смачиваемость, которая и позволяет добиваться увеличения механических характеристик путем снижения времени перемешивания (путем устранения технологических загрязнений, вызываемых длительным контактом с футеровкой и инструментом), а также путем увеличения сил сцепления между отдельными компонентами композиционного материала. Следовательно, устранение окислов с границы раздела приводит к повышению механических характеристик. Снижать температуру менее, чем (-150)^oC экономически нецелесообразно, применение температур выше, чем 0^oC не приводит к значительному охрупчиванию окислов, то есть эффект не достигается.

В способе возможно также охлаждение смеси матричного компонента с армирующим компонентом осуществлять до 0-(+100)^oC. Этот интервал выбран из технологических особенностей обработки взрывом. Одним из возможных способов обработки взрывом является обработка с применением воды как технологической жидкости. Температура воды в жидком состоянии может колебаться от 0 до 100^oC. Этим и объясняются границы интервала. Следует заметить, что увеличение температуры образцов в этих границах положительно сказывается на качестве металло-матричного композита, так как происходит увеличение пластических свойств материала матричного компонента, что облегчает микроперемещения, происходящие при обработке взрывом. Это в свою очередь положительно сказывается на свариваемости компонентов.

В способе возможно охлаждение расплавленной смеси матричного компонента с армирующим компонентом осуществлять до (0,2-0,8) температуры плавления матричного компонента. То есть обработку взрывом проводить в твердом агрегатном состоянии, но при нагреве. Haгрев позволяет повысить пластические характеристики матричного компонента, с одной стороны, и снизить прочность матричного и армирующего компонентов. Увеличение пластичности улучшает условия для микроперемещений, которые имеют место при обработке взрывом. Снижение прочности компонентов приводит, с одной стороны, к меньшим потребностям в энергии взрыва, а с другой стороны, позволяет раздробить частицы армирующего компонента неправильной формы, что благоприятно сказывается на экономических показателях и на механических характеристиках металло-матричного композита. Нагрев менее 0,2 температуры плавления экономически невыгоден, так как такой нагрев требует применение специального оборудования, а эффект от нагрева незначителен. Нагрев более 0,8 температуры плавления требует другого оборудования, так как при обработке взрывом возможно расплавление материала.

В способе возможно после обработки взрывом и перемешивания осуществлять дополнительно 1-5 циклов обработки взрывом, причем после каждого цикла обработки взрывом возможно осуществлять перемешивание смеси расплавленного матричного компонента с твердыми частицами армирующего компонента. В отдельных случаях возможно, что один цикл обработки взрывом не позволит осуществить хороший контакт между компонентами, особенно это относиться к случаям применения в виде армирующего компонента ультрадисперсных порошков; в этом случае предлагается осуществлять несколько циклов обработки взрывом. Перемешивание между циклами обработки взрывом может осуществляться в течение 0,5-5 часов. Перемешивание проводят, во-первых, для достижения равномерного распределения по объему обработанных и необработанных частиц и, во-вторых, для улучшения условий контакта между компонентами. Практика показывает, что применение циклов обработки взрывом более 5 не приводит к улучшению механических свойств.

В способе возможно дополнительные циклы обработки взрывом осуществлять попеременно в твердом и жидком состояниях. Взаимодействие компонентов между собой несколько отличается, когда один из компонентов находится в твердом или жидком состоянии. Прежде всего это отличие заключается в возможности микроперемещений и возникающих при этом давлений на различных участках отдельных порошинок. Причем каждое состояние обладает своими положительными чертами. Поэтому предлагается чередовать обработку взрывом смеси компонентов как в жидком, так и в твердом состоянии одного из компонентов; это позволяет достигать максимального эффекта от применения обработки взрывом.

Применение указанного способа позволяет увеличить механические характеристики металло-матричных композитов на 17-22% по сравнению с известными. При этом однородность свойств материала по сечению изделия увеличивается. В изделиях из материала, полученного по данному способу, разброс значений механических характеристик (предела прочности) но сечению изделия не превышает 10% (практически сравним с ошибкой измерения); а известные способы могут приводить к разбросу значений до 50%.

Способ осуществляют следующим образом. Подготавливают компоненты. Матричный компонент нагревают и расплавляют. Вносят в расплав твердые частицы (порошок) армирующего компонента. При этом возможно перемешивание расплава. Затем полученную смесь обрабатывают взрывом. При этом обработку взрывом смеси компонентов возможно осуществлять как при поддержании смеси в расплавленном состоянии, так и в затвердевшем состоянии. После обработки взрывом смесь может быть или в твердом состоянии, или в расплавленном состоянии. Если смесь находится в расплавленном состоянии, то ее подогревают для поддержания в расплавленном состоянии. Если смесь находится в твердом состоянии, то смесь навевают для расплавления и потом поддерживают в расплавленном состоянии. После этого смесь перемешивают в течение определенного времени. Затем расплав разливают но формам, где она охлаждается и затвердевает.

При этом обработку взрывом расплава матричного компонента с твердыми частицами армирующего компонента осуществляют при поддержании матричного компонента в жидком расплавленном состоянии при температуре (1,0-],25) температуры плавления матричного компонента, то есть методом жидкофазного взрыва.

При этом матричный компонент, находившийся в расплавленном состоянии после внесения в расплав твердых частиц армирующего компонента, охлаждают для затвердевания перед обработкой взрывом.

При этом охлаждение смеси матричного компонента с армирующим компонентом можно осуществлять: 1) до (-150)-0^oC.

2) до 0-(+100)^oC.

3) до (0,2-0,8) температуры плавления матричного компонента.

При этом после обработки взрывом и перемешивания осуществляют дополнительно 1-5 циклов обработки взрывом, причем после каждого цикла обработки взрывом осуществляют перемешивание смеси расплавленного матричного компонента с твердыми частицами армирующего компонента.

При этом дополнительные циклы обработки взрывом осуществляют попеременно в твердом и жидком состояниях.

Пример 1 Подготовили алюминиевый сплав (силумин), содержащий 7% кремния и 0,3% магния, и порошок карбида кремния. Алюминиевый сплав выступает в роли матричного компонента, а карбид кремния - армирующего компонента. Соотношение материалов составило: 35% (весовых) порошка карбида кремния (армирующего компонента) и 65% (весовых) алюминиевого сплава (матричного компонента). Средний размер порошка карбида кремния (армирующего компонента) равнялся 1 мкм. Матричный компонент (алюминиевый сплав) нагрели, расплавили и поддерживали температуру 730^oC. В расплав матричного компонента внесли твердые частицы (порошок) армирующего компонента (карбида кремния). При этом расплав перемешивали. Затем полученную смесь поместили в специальное устройство, которое поддерживало температуру расплава и позволило провести обработку взрывом без разрушения технологического инструмента. Осуществили обработку взрывом смеси компонентов при поддержании смеси в расплавленном состоянии при температуре 730^oC. После обработки взрывом смесь находилась в расплавленном состоявши. После этого смесь перемешивали в течение 5 часов. Затем расплав разлили по формам, где она охладилась и затвердела.

Пример 2 Подготовили алюминиевый сплав (силумин), содержащий 7% кремния и 0,3% магния, и порошок карбида кремния. Алюминиевый сплав выступает в роли матричного компонента, а карбид кремния - армирующего компонента. Соотношение материалов составило: 5%(весовых) порошка карбида кремния (армирующего компонента) и 95% (весовых) алюминиевого сплава (матричного компонента). Средний размер порошка карбида кремния (армирующего компонента) равнялся 10 мкм. Матричный компонент (алюминиевый сплав) нагрели, расплавили и поддерживали температуру 720^oC. В расплав матричного компонента внесли твердые частицы (порошок) армирующею компонента (карбида кремния). При этом расплав перемешивали. Затем полученную смесь охладили, чтобы она затвердела, а затем охладели до (-150^oC). После этого охлажденную смесь компонентов поместили в специальное технологическое устройство, которое поддерживало заданную температуру (-150^oC), и обработали взрывом. Взрыв обеспечил давление 200 кбар. После обработки взрывом смесь находилась в твердом состоянии. Ее расплавили и при поддержании 720^oC перемешивали в течение 4 часов. Затем расплав разлили по формам, где она охладилась и затвердела.

Формула изобретения

1. Способ изготовления литейного металломатричного композита, включающий нагрев матричного компонента, расплавление матричного компонента, внесение в расплав твердых частиц армирующего компонента, поддержание матричного компонента в расплавленном состоянии и перемешивание его с твердыми частицами армирующего компонента, отличающийся тем, что дополнительно после внесения в расплав матричного компонента твердых частиц армирующего компонента полученную смесь обрабатывают взрывом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку взрывом расплава матричного компонента с твердыми частицами армирующего компонента осуществляют при поддержании матричного компонента в жидком расплавленном состоянии при температуре 1,0 - 1,25 температуры плавления матричного компонента, то есть методом жидкофазного взрыва.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что матричный компонент, находившийся в расплавленном состоянии после внесения в расплав твердых частиц армирующего компонента, охлаждают для затвердевания перед обработкой взрывом, а после обработки взрывом переводят в расплавленное состояние и поддерживают в расплавленном состоянии.

4. Способ по любому из пп.1 и 3, отличающийся тем, что охлаждение смеси матричного компонента с армирующим компонентом осуществляют до (-150)-0°С.

5. Способ по любому из пп.1 и 3, отличающийся тем, что охлаждение смеси матричного компонента с армирующим компонентом осуществляют до 0-(+100)°С.

6. Способ по любому из пп.1 и 3, отличающийся тем, что охлаждение смеси матричного компонента с армирующим компонентом осуществляют до 0,2 - 0,8 температуры плавления матричного компонента.

7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что после обработки взрывом и перемешивания осуществляют дополнительно 1 - 5 циклов обработки взрывом, причем после каждого цикла обработки взрывом осуществляют перемешивание смеси расплавленного матричного компонента с твердыми частицами армирующего компонента.

8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что дополнительные циклы обработки взрывом осуществляют попеременно в твердом и жидком состояниях.