Металломатричный композит

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к металломатричным композитам, которые могут быть использованы в машиностроении, в частности в автомобилестроении, электронике и электротехнике. Предложен металломатричный композит, состоящий из матрицы и усиливающих элементов. При этом матрица содержит квазикристаллический материал в пределах от 0,01 до 100 об.% от объема всей матрицы. Квазикристаллический материал матрицы может располагаться в поверхностном слое композита на глубину, как минимум равную среднему размеру усиливающих элементов. Квазикристаллический материал может быть распределен по объему матрицы. Матрица может быть выполнена из квазикристаллического материала системы Al-Cu-Fe или Ti-Zr-Ni. Усиливающие элементы могут быть выполнены из нитрида титана. Техническим результатом изобретения является повышение прочностых характеристик и износостойкости материала. 5 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к такому их виду как металломатричные композиты. Данный материал может применяться в различных отраслях техники, например в машиностроении (включая автомобилестроение), электронике и электротехнике.

Известны металломатричные композиты, состоящие из алюминиевой матрицы и усиливающих элементов в виде порошка карбида кремния размером 23 мкм [Axel Kolsgaard, Stig Brusethaug Settling of SiC particles in an AlSi7Mg melt. Materials Science and Engineering, A173 (1993) 213-219]. Однако такой материал не обладает равномерностью свойств, так как при расплавлении крупные порошинки быстро оседают.

Известен также металломатричный композит, состоящий из алюминиевой матрицы и усиливающих элементов в виде порошка карбида кремния размером 9-13 мкм [Donald E. Hammond Castable Composites Target New Applications. Modern Casting. Septermer 1990, 27-30] . Равномерность свойств по сечению детали из такого материала значительно выше. Прочностные характеристики и износостойкость такого материала значительно выше, чем у алюминиевого неармированного сплава. Однако в сравнении с другими материалами такого преимущества нет. Одной из причин этого является то, что матрицей является мягкий непрочный материал.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и достижение технического результата, заключающегося в повышении прочностных характеристик и износостойкости металломатричного композита.

Указанный технический результат достигается тем, что в металломатричном композите, состоящем из матрицы и усиливающих элементов, согласно изобретению, матрица содержит квазикристаллический материал в пределах от 0,01 до 100% от объема всей матрицы.

В металломатричном композите согласно изобретению возможно, что квазикристаллический материал матрицы располагается в поверхностном слое на глубину, как минимум, равную среднему размеру усиливающих элементов.

В металломатричном композите согласно изобретению возможно, что квазикристаллический материал матрицы распределен по объему матрицы.

В металломатричном композите согласно изобретению возможно, что матрица выполнена из квазикристаллического материала системы Al-Cu-Fe.

В металломатричном композите согласно изобретению возможно, что матрица выполнена из квазикристаллического материала системы Ti-Zr-Ni.

В металломатричном композите согласно изобретению возможно, что усиливающие элементы выполнены из нитрида титана.

Согласно изобретению матрица содержит квазикристаллический материал в пределах от 0,01 до 100% (объемных) от объема всей матрицы. Применение квазикристаллического материала для матрицы позволит значительно повысить прочность и износостойкость материала, так как в этом случае и сама матрица будет характеризоваться хорошими показателями прочности и износостойкости, так как квазикристаллические материалы вследствие своего строения характеризуются повышенными показателями прочности и износостойкости. А комбинация квазикристаллического материала с усиливающими элементами еще более улучшит эти характеристики. Для достижения максимально возможного уровня прочности требуется применять квазикристаллический материал для всего объема матрицы, то есть матрица на 100% состоит из квазикристаллического материала. В тех случаях, когда требуется только повышенный уровень прочности, а не максимальный, возможно снижение содержания квазикристаллического материала. Особо следует отметить возможность применения малых количеств квазикристаллического материала для тех случаев, когда важно значительно повысить износостойкость. В этом случае квазикристаллический материал располагают в поверхностных слоях матрицы, но его количество не должно быть менее 0,01% от объема матрицы.

В тех случаях, когда, в основном, требуется только повышение износостойкости, квазикристаллический материал матрицы располагают только в поверхностном слое. При этом толщина слоя из квазикристаллического материала равна, как минимум, среднему размеру усиливающих элементов. Размеры усиливающих элементов, обычно, не превышают 50-100 мкм. Если толщина слоя из квазикристаллического материала будет меньше среднего размера усиливающих элементов, то повышения износостойкости не произойдет, так как в этом случае усиливающие элементы не будут жестко удерживаться в матрице из квазикристаллического материала.

В тех случаях, когда требуется повышение прочностных характеристик наряду с повышением износостойкости, квазикристаллический материал матрицы распределен по объему матрицы. При этом количество квазикристаллического материала в матрице может варьироваться и достигать 100%.

В тех случаях, когда требуется снижать вес изделий, возможно применять матрицу из материала системы Al-Cu-Fe. В этом случае возможно получить квазикристаллический материал при соблюдении известных нужных пропорций. Такой материал позволяет по сравнительно несложной технологии добиваться высокой прочности сцепления между матрицей и усиливающими элементами.

В тех случаях, когда требуется еще и высокая коррозионностойкость, возможно применение материала системы Ti-Zr-Ni, при этом также возможно достижение квазикристаллического состояния. Такой материал позволяет кроме высокой прочности и высокой износостойкости добиваться высокой коррозионностойкости. Комбинация всех этих показателей у одного материала приводит к увеличению работоспособности деталей, изготовленных из такого материала, особенно в агрессивных средах и других сложных условиях.

Усиливающие элементы металломатричного композита можно выполнять из нитрида титана. Применение нитрида титана для усиливающих элементов приводит к увеличению прочности сцепления с матрицей и, следовательно, к увеличению износостойкости в целом ряде случаев.

Пример 1 Металломатричный композит был изготовлен методами порошковой металлургии и механического сплавления. Усиливающими элементами служили частицы карбида кремния со средним размером 10 мкм, процентное содержание которых составляло 50 мaс.%. Матрица была выполнена из квазикристаллического материала на основе системы Al-Cu-Fe. Из квазикристаллического материала были выполнены все 100% матрицы (то есть 50% массовых от всего металломатричного композита).

Пример 2 Металломатричный композит был изготовлен при комбинации литейных методов и методов имплантации ионов. Усиливающими элементами служили частицы карбида кремния со средним размером 10 мкм, процентное содержание которых составляло 20%. Матрица была выполнена на 99,99% (объемн.) из обычного алюминиевого сплава. Деталь представляла собой цилиндр диаметром 400 мм. Поверхностный слой матрицы на цилиндрической поверхности детали толщиной 10 мкм был выполнен из квазикристаллического материала на основе системы Al-Cu-Fe, то есть объем квазикристаллического материала составлял 0,01% объема матрицы.

Пример 3 Металломатричный композит был изготовлен методами порошковой металлургии. Усиливающими элементами служили частицы карбида кремния со средним размером 10 мкм, содержание которого составляло 10%. Матрица была изготовлена из титана. Квазикристаллический материал был выполнен на основе системы Ti-Zr-Ni. Квазикристаллического материала содержалось 40% (объемных) от объема матрицы и он был равномерно распределен по объему.

Пример 4 Металломатричный композит был изготовлен методами порошковой металлургии. Усиливающими элементами служили частицы нитрида титана со средним размером 15 мкм, содержание которого составляло 10%. Матрица была изготовлена из никелевого сплава. Квазикристаллический материал был выполнен на основе системы Ti-Zr-Ni. Квазикристаллического материала содержалось 20% (объемных) от объема матрицы и он был равномерно распределен по объему.

Формула изобретения

1. Металломатричный композит, состоящий из матрицы и усиливающих элементов, отличающийся тем, что матрица содержит квазикристаллический материал в пределах от 0,01 до 100% (объемных) от объема всей матрицы.

2. Металломатричный композит по п.1, отличающийся тем, что квазикристаллический материал матрицы располагается в поверхностном слое композита на глубину, как минимум равную среднему размеру усиливающих элементов.

3. Металломатричный композит по п.1, отличающийся тем, что квазикристаллический материал распределен по объему матрицы.

4. Металломатричный композит по п.1, отличающийся тем, что матрица выполнена из квазикристаллического материала системы Al-Cu-Fe.

5. Металломатричный композит по п.1, отличающийся тем, что матрица выполнена из квазикристаллического материала системы Ti-Zr-Ni.

6. Металломатричный композит по п.1, отличающийся тем, что усиливающие элементы выполнены из нитрида титана.