Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литого композиционного материала (ЛКМ) на основе алюминиевого сплава для изготовления деталей, работающих в условиях трения. ЛКМ содержит в качестве матричного компонента - алюминиевый сплав Al + 3% Mg, а в качестве армирующего компонента - дискретные керамические частицы карбида кремния SiC с зернистостью 30-50 мкм в количестве 3-5 или 15-19 мас.%. Способ получения ЛКМ осуществляют следующим образом. Проводят смешивание в размольно-смесительном устройстве порошков матричного компонента из алюминиевого сплава Al + 3% Mg и армирующих дискретных керамических частиц карбида кремния. После чего брикетируют смесь под давлением 28-35 МПа и вводят полученные брикеты в расплав алюминиевого сплава Al + 3% Mg при температуре 850±10°С в количестве, необходимом для получения заданной концентрации армирующих дискретных керамических частиц в указанном расплаве. После этого проводят выдержку в течение 20-30 мин для протекания процессов распределения керамических частиц по объему расплава указанного алюминиевого сплава, а затем осуществляют перемешивание и разливку. Технический результат - получение высокой износостойкости заданных трибологических свойств материала. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литого композиционного материала (ЛКМ) на основе алюминиевого сплава для изготовления деталей, работающих в условиях трения.

Известен способ получения композиционного материала (патент РФ №2202643, оп. 2003.04.20), включающий:

а) высокоэнергетическую механическую обработку стружки металла матричного состава с частицами оксида алюминия размером 8-12 мкм в количестве 10-25 об.%,

б) холодное двустороннее прессование полученной смеси до получения 80% относительной плотности;

в) горячую пропитку расплавом алюминия спрессованных брикетов.

Недостатками предложенного изобретения является большая длительность процесса, большие энергозатраты и применение сложного дорогостоящего оборудования, что отражается на себестоимости конечного продукта.

Известен также способ получения сплава на основе алюминия (патент РФ №2177047, оп. 2001.12.20), который получают механическим замешиванием ультратонких тугоплавких частиц с размером 0,001-01 мкм в расплав в количестве 1-15% по массе. Предлагаемый способ механического замешивания практически трудно осуществить по причине агломерации частиц и резкого повышения вязкости 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 композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения (патент РФ №2136774, оп. 1999.09.10), включающий механическое замешивание дискретных частиц керамики со средним размером 28 мкм в алюминиевый расплав, последующее введение лигатуры, содержащей Ti, Zr, V, Hf, для получения общего содержания частиц и интерметаллидных фаз до 30 об.%, а также последующее дисперсионное твердение матричного сплава с выделением упрочняющих фаз в количестве 7-10 об.%. Однако такой способ сложен в техническом исполнении, поскольку процесс трехстадийный. Размер включений интерметаллидных фаз может оказаться излишне большим. Кроме того, во время перемешивания происходит интенсивное насыщение расплава атмосферными газами, замешивание в расплав окислов и плен.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание ЛКМ на основе алюминиевого сплава с высоким уровнем износостойкости и заданными трибологическими свойствами, а также способа его получения, отличающегося низкой себестоимостью.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что предлагаемый ЛКМ на основе алюминиевых сплавов содержит высокопрочные армирующие дискретные керамические частицы карбида кремния (SiC): для получения ЛКМ антифрикционного назначения, мас.%: 3-5% карбид кремния (SiC), остальное - алюминиевый сплав (Al + 3% Mg); для получения ЛКМ фрикционного назначения, мас.%: 15-19% карбид кремния (SiC), остальное - алюминиевый сплав (Al + 3% Mg).

Предлагаемый способ получения ЛКМ состоит в механическом перемешивании порошкового материала, содержащего в качестве матричного компонента алюминиевый сплав (Al + 3% Mg, зернистость - до 200 мкр), а в качестве армирующего - дискретные керамические частицы карбида кремния (SiC, зернистость - 30-50 мкр) и последующем брикетировании полученного порошкового материала под давлением 28-35 МПа. Содержание армирующих дискретных керамических частиц в прессуемом порошковом материале может достигать, мас.% 75%, при дальнейшем увеличении концентрации наблюдается хрупкость брикетов. Полученные брикеты вводят в расплав алюминиевого сплава, где происходит их равномерное распределение по всему объему сплава за счет диффузионных процессов.

Механическое перемешивание порошков осуществляют в размольно-смесительной установке, благодаря чему происходит сухое измельчение крупных частиц металла и внедрение в него упрочняющих частиц керамической фазы. Полученную смесь прессуют в брикеты под давлением 28-35 МПа, достаточным для необходимой прочности и остаточной пористости брикетов 30-40%. Затем брикет вводят в расплав алюминиевого сплава Al + 3% Mg при температуре 850±10°С и выдерживают при данной температуре 20-30 мин для протекания процессов распределения керамических частиц по объему сплава. При нагреве расплава ниже 850±10°С не обеспечивается полное протекание процессов распределения армирующих частиц, а более высокие могут вести к деградации керамической фазы. Благодаря механической обработке порошковой смеси из матричного и керамического компонентов достигается наиболее равномерное распределение керамических частиц в матрице и лучшие механические свойства ЛКМ.

Установленные пределы содержания карбида кремния (3-5% и 15-19%) в получаемом расплаве позволяют варьировать свойства ЛКМ, подбирая оптимальные для конкретных условий. Количество вводимых в расплав брикетов определяют расчетным путем для достижения заданной концентрации армирующего компонента (SiC) в расплаве.

По вышеизложенной технологии были изготовлены образцы и испытаны в условиях сухого трения и трения со смазкой, параметры испытуемых материалов приведены в таблице.

Таким образом, предлагаемый ЛКМ отличается от известных композиционных материалов лучшим комплексом свойств.

Параметры ЛКМ на основе алюминиевых сплавов при испытаниях на трение в паре со сталью
Al + 3% Mg + мас.% SiC	HRB	Микротвердость	Напряжения первого рода (линия 420°)	σc	Износ (сухое трение 0,8 МПа в паре со сталью, 23580 м), г	Тампература в зоне трения в период статического трения, °С	Значение коэффициента трения (fтр)
до ТО	после ТО	без смазки	со смазкой
2,5	32,5	1120-1540	73±7	167±3	-	0,0920	30	0,13	0,04
5	37	1170-1970	73±7	172±17	16	0,0748	60	0,145	0,05
15	42	3010-3510	-	-	23	0,0400	90	2	1,1

1. Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава, содержащий армирующие дискретные керамические частицы, отличающийся тем, что в качестве армирующих дискретных керамических частиц он содержит карбид кремния SiC с зернистостью 30-50 мкм в количестве 3-5 или 15-19 мас.%, а в качестве матричного компонента алюминиевый сплав Al + 3% Mg.

2. Способ получения литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава, отличающийся тем, что он включает смешивание в размольно-смесительном устройстве порошков матричного компонента из алюминиевого сплава Al + 3% Mg и армирующих дискретных керамических частиц карбида кремния, брикетирование смеси под давлением 28-35 МПа и введение полученных брикетов в расплав алюминиевого сплава Al+3% Mg при температуре 850±10°С в количестве, необходимом для получения заданной концентрации армирующих дискретных керамических частиц в указанном расплаве, после чего проводят выдержку в течение 20-30 мин для протекания процессов распределения керамических частиц по объему расплава указанного алюминиевого сплава, затем осуществляют перемешивание и разливку.