Способ введения упрочняющих частиц в алюминиевые сплавы

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литым композиционным материалам на основе алюминиевых сплавов. Способ получения литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава, содержащего тугоплавкое соединение, включает получение порошкообразного композиционного материала путем формирования на частицах тугоплавкого соединения слоя алюминия толщиной, составляющей 10-25% от диаметра частицы тугоплавкого соединения, и введение полученного порошкообразного композиционного материала в расплав на основе алюминия при разливке его в форму. Получается литой композиционный материал с равномерным распределением упрочняющих частиц и обладающий высокой прочностью и износостойкостью.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литым композиционным материалам (ЛКМ) на основе алюминиевых сплавов, и может быть использовано для изготовления деталей, обладающих высокой прочностью и износостойкостью.

Из литературы известны способы изготовления ЛКМ на основе алюминиевых сплавов, содержащих высокопрочные частицы тугоплавких соединений.

Известные способы введения упрочняющих частиц заключаются в подаче порошковой шихты в расплав при непрерывной разливке материала. Однако при этом имеется существенный недостаток процесса, заключающийся в том, что при таком способе происходит рост частиц вследствие их коагуляции, причем тем больший, чем меньше размер вводимых в расплав частиц и меньше их концентрация.

Известен ЛКМ, который получают механическим смешиванием ультратонких тугоплавких частиц с размером 0.001-0.1 мкм в расплав в количестве 1-15% по массе (патент РФ № 2177047, МПК С22С 1/02, 2001 г.). Однако такой способ механического замешивания практически трудно осуществить вследствие агломерации частиц и потери жидкотекучести расплава. Кроме того, этот способ не обеспечивает равномерного распределения частиц в матрице, а следовательно, получения стабильных свойств ЛКМ.

Ближайшим аналогом, принятым за прототип, является ЛКМ и способ его получения [патент РФ № 2323991 С1, С22С 1/10, 2008], в котором исходные порошки смешивают в шаровой мельнице, брикетируют под давлением 100-130 МПа при температуре 110°С, а затем полученные брикеты вводят в расплав, нагретый до температуры 850°С, после чего выдерживают полученную композицию в течение 20-30 минут для образования упрочняющих фаз. Затем осуществляют перемешивание и разливку.

Однако этот способ очень сложен в техническом исполнении, поскольку предполагает многостадийность процесса, что сопряжено со сложностью контроля за ним. Кроме того, этот способ не обеспечивает равномерного распределения частиц в матрице, а следовательно, получения стабильных свойств ЛКМ.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа введения упрочняющих частиц в алюминиевые сплавы для получения ЛКМ на основе алюминиевых сплавов, используемых для производства высокопрочных изделий, который обладал бы относительной простотой реализации и обеспечивал равномерное распределение частиц в матрице, а следовательно, позволял бы получать стабильные свойства ЛКМ.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ получения литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава, содержащего тугоплавкое соединение, причем порошкообразный композиционный материал получают путем осаждения на частицах тугоплавкого соединения слоя алюминия толщиной, составляющей 10-25% от диаметра частицы тугоплавкого соединения, и вводят полученный порошкообразный композиционный материал в расплав на основе алюминия при разливке его в форму.

Эти ограничения обусловлены тем, что меньшая толщина оболочки не позволит реализовать способ, поскольку произойдет ее быстрое растворение в расплаве, а большая - приведет к изменению элементного состава матрицы.

Возможность реализации изобретения основана на том, что подобные композитные частицы легко смачиваются расплавом уже при самых низких температурах и не требуется значительного перегрева материала. Кроме того, возможно введение таких композитных частиц непосредственно в процессе разливки и получения конечного изделия, что существенно упрощает технологический процесс.

Примеры реализации способа

Пример 1. Порошок карбида кремния (или оксида алюминия) со среднеповерхностным условным диаметром частиц от 1 до 500 мкм помещают в водный раствор алюминия, содержащий соли из ряда хлорид, сульфат, нитрат с концентрацией 1-3 М на срок от 1 до 3 ч и подвергают охлаждению до температуры 5°С при постоянном перемешивании. При этом на частицах карбида кремния (оксида алюминия) осаждается слой металлического алюминия требуемой толщины. Полученный порошкообразный композиционный материал состава «SiC (или Аl₂О₃) - Аl» подвергают сушке при температуре 50-80°С в атмосфере воздуха. Далее порошкообразный компонент вводят в расплав алюминиевого сплава при его разливке в форму.

Пример 2. Порошок карбида кремния (или оксида алюминия) со среднеповерхностным условным диаметром частиц от 1 до 500 мкм во взвешенном состоянии помещают в вакуумную камеру при остаточном давлении 0.03 МПа, содержащую алюминиевую проволоку диаметром 100-500 мкм, подвергающуюся джоулевому нагреву с помощью пропускания постоянного электрического тока напряжением 12 В. При этом атомы алюминия, испаряющиеся с проволоки, равномерно осаждаются на частицы карбида кремния (оксида алюминия) с формированием слоя металла требуемой толщины. Время обработки порошка в вакуумной камере определяется количеством загружаемого порошка и составляет от 0.1 до 1 часа. Далее порошкообразный компонент вводят в расплав алюминиевого сплава при его разливке в форму.

Пример 3. Порошок оксида алюминия со среднеповерхностным условным диаметром частиц от 0.01 до 0.1 мкм помещают в планетарную мельницу, футерованную алюминием с активными элементами из алюминиевого сплава, и проводят механическую активацию в течение 5-10 минут. В результате мехактивации на поверхности частиц формируется слой металла требуемой толщины. Далее порошкообразный компонент вводят в расплав алюминиевого сплава при его разливке в форму.

Полученные предложенным способом ЛКМ показали, что равномерность и дисперсность упрочняющих частиц существенно выше, чем при использовании традиционных методов получения отливок из высокопрочных и износостойких алюминиевых сплавов.

Способ получения литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава, содержащего тугоплавкое соединение, отличающийся тем, что получают порошкообразный композиционный материал путем формирования на частицах тугоплавкого соединения слоя алюминия толщиной, составляющей 10-25% от диаметра частицы тугоплавкого соединения, и вводят полученный порошкообразный композиционный материал в расплав на основе алюминия при разливке его в форму.