Способ получения сплава на основе алюминия

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литых легких сплавов на основе алюминия, которые могут быть использованы в авиационной, аэрокосмической и других областях машиностроения для изготовления корпусных, водонагруженных деталей, а также деталей, работающих в агрессивных средах. Согласно способу расплавляют алюминиевую основу и вводят в нее как минимум одну добавку, перемешивают расплав и охлаждают его, причем в качестве добавки используют оксид металла, температура плавления которого выше температуры плавления алюминия, вводимый в виде мелкодисперсного порошка с размером частиц от 0,001 до 0,1 мкм, разогретый до температуры, превышающей температуру расплава основы. Кроме того, добавку вводят в количестве 1-15% от массы расплава. Технический результат - получение сплава с высокой структурной однородностью. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литых сплавов на основе алюминия, которые могут быть использованы в авиационной, аэрокосмической и других областях машиностроения для изготовления корпусных, высоконагруженных деталей, работающих в агрессивных средах, рычагов, защелок, деталей узлов трения.

Известен способ получения алюминиево- кремниевых сплавов, согласно которому в расплавленную алюминиевую основу вводят раздробленные частицы кремния, перемешивают расплав и осуществляют расплавление кремния, причем введение кремния осуществляют на поверхность расплава алюминия при температуре его 665 - 880^oC с последующим нагревом расплава до 850 - 900^oC со скоростью 2 - 5 град/мин (см. патент РФ N 2010881, кл. С 22 С 1/02, 1994 г.) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа известного способа необходимо отметить, что известный способ не обеспечивает равномерности распределения компонентов расплава по объему, а следовательно, достижения высоких прочностных свойств материала, кроме того, он предусматривает расплавление кремния, что усложняет технологический процесс, а нагрев кремния до температуры его плавления увеличивает расход электроэнергии.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа получения сплава на алюминиевой основе с высокой структурной однородностью.

Технический результат обеспечивается тем, что в способе получения сплава на основе алюминия, согласно которому расплавляют алюминиевую основу, вводят как минимум одну добавку, перемешивают расплав и охлаждают его, новым является то, что в качестве добавки используют оксид металла, температура плавления которого выше температуры плавления алюминия, причем добавку вводят в виде мелкодисперсного порошка с размерами частиц от 0,001 до 0,1 мкм; частицы добавки вводят в расплав основы, разогретыми до температуры, которая превышает температуру расплава основы, причем добавку вводят в количестве 1 - 15% от массы расплава.

Если размеры частиц добавки меньше 0,001 мкм, то весьма сложно добиться их равномерного распределения по объему основы вследствие высокого уровня их поверхностной энергии и склонности к коагуляции.

При увеличении размера частиц более 0,1 мкм, резко уменьшается их количество (в среднем на три порядка), что приводит к увеличению структурной неоднородности, снижению прочности и эксплуатационных свойств материала и изготовленных из него изделий.

Получение мелкодисперсных частиц методом взрывного синтеза существенно стабилизирует размерный состав порошка. При введении в алюминиевую основу частиц оксида (оксидов) одинаковых размеров, повышается однородность структуры материала, стабилизируется уровень внутренних напряжений, что, в конечном счете, обеспечивает повышение физико-механических свойств материала и эксплуатационных характеристик изделий из этого материала.

Предварительный нагрев мелкодисперсных частиц оксида металла до температуры, превышающей температуру расплавления матричного материала (материала основы - алюминия) улучшает термодинамические характеристики процесса получения сплава, приводит к уменьшению угла смачивания частиц, их более равномерному распределению по объему, превышению прочностных характеристик и сопротивляемости материала изделий воздействию внешних нагрузок.

Если количество добавки (добавок) меньше 1%, то не достигаются требуемые прочностные и эксплуатационные характеристики материала, а также существенно снижаются его пластические свойства, а если количество добавки (добавок) больше 15%, то существенного повышения прочности не происходит, но увеличивается вероятность хрупких разрушений.

Использование в качестве добавки (добавок) в расплавленный алюминий, именно оксида (оксидов) металла (металлов), предпочтительно в связи с тем, что материалы этой группы имеют высокую температуру плавления, что позволяет вводить их в расплав материалы оксидов, подогретыми до температуры, большей температуры расплава основного материала. Кроме того, материалы этой группы обеспечивают наиболее полное протекание процессов дисперсионного интеркристаллического упрочнения при минимальных колебаниях (по объему) внутренних напряжений. В качеств добавки (добавок) могут быть использованы оксиды титана, циркония, вольфрама, тантала, хрома и других тугоплавких материалов.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "новизна".

Сущность заявленного изобретения не следует явным образом из известных технических решений, а следовательно, оно соответствует критерию "изобретательский уровень".

Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.

Способ получения сплава на основе алюминия осуществляют следующим образом.

В печи (или тигле) расплавляют алюминиевую основу и выдерживают ее, например, при температуре 850^oC. Далее в расплав основы вводят (засыпают) необходимое количество добавки (добавок), например, 15% от массы расплава. Добавку вводят в виде ультрадисперсного порошка оксида металла (например, оксида кремния). Перед засыпкой в расплав основы, порошок оксида кремния разогревают до температуры, например 970^oC. После введения добавки, расплав перемешивают до равномерного распределения частиц добавки в расплавленном материале основы. Процесс перемешивания сам по себе известен, поэтому в материалах заявки подробно не раскрыт. Перемешивание может осуществляться, например, посредством воздействия на расплав ультразвуком. После перемешивания расплава, его охлаждают. Полученный сплав готов к использованию или последующей переработке.

Количество добавок и их виды определяют, исходя из требуемых свойств сплава, на основе алюминия.

Пример 1. В разогретую плавильную печь емкостью 6000 кг загружают алюминий в количестве 4500 кг, расплавляют его, повышают температуру расплава до 669^oC, перемешивая расплав, вводят в него мелкодисперсные частицы оксида кремния, предварительно разогретые до температуры 850^oC. Размеры частиц находятся в интервале 0,0005 - 0,008 мкм, масса добавляемых частиц - 62,5 кг. После окончания перемешивания расплав разливают по изложницам и после остывания получают материал, в котором часть оксида кремния остается в объеме зерен, а остальные частицы равномерно распределяются по границам зерен, обеспечивая требуемые прочностные показатели материала.

Пример 2.

В расплав алюминиевой основы добавляют ультрадисперсные частицы оксидов алюминия и кремния в количестве 15% от массы расплава (10% - оксид алюминия и 5% - оксид кремния). Перед введением частицы нагревают до температуры, превышающей температуру плавления матричного материала, например, до (850 - 900)^oC. После введения упрочняющих добавок оксидов в расплав алюминия осуществляют перемешивание смеси до равномерного распределения оксидов по объему расплава.

По результатам измерений прочности образцов полученного сплава установлено повышение предела прочности от 200 - 220 мПа до 350 - 400 мПа и возрастание модуля нормальной упругости до 8000 - 10000 мПа. Увеличение температуры частиц оксидов, которые вводятся в расплав алюминия от 25^oC до 875^oC, позволяет увеличить прочность полученного материала в 1,5-2 раза.

Формула изобретения

1. Способ получения сплава на основе алюминия, включающий расплавление алюминиевой основы, введение в нее как минимум одной добавки, перемешивание расплава и его охлаждение, отличающийся тем, что в качестве добавки используют оксид металла, температура плавления которого выше температуры плавления алюминия, вводимый в виде мелкодисперсного порошка с размером частиц от 0,001 до 0,1 мкм, разогретый до температуры, превышающей температуру расплава основы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что добавку вводят в количестве 1-15% от массы расплава.