Литейный композиционный материал на основе алюминия и его сплавов

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным композиционным материалам (ЛКМ) на основе алюминия и его сплавов, и может применяться для изготовления деталей с повышенной жаропрочностью, твердостью и износостойкостью. Литейный композиционный материал на основе алюминия или его сплавов содержит упрочняющие интерметаллидные частицы TiAl₃ с размером не более 25 мкм в количестве до 35 об.%, образованные в расплаве алюминия путем введения в него измельченной титановой губки с размером фракций не более 5 мм. Материал обладает высокой прочностью за счет высокой термодинамической стабильности упрочняющих частиц. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным композиционным материалам (ЛКМ) на основе алюминия и его сплавов. Материал может применяться для изготовления деталей с повышенной жаропрочностью, твердостью и износостойкостью.

Известен ЛКМ на основе алюминиевого сплава, содержащий дисперсные интерметаллидные включения TiAl₃ (см. патент RU 2323991, МПК C22C 1/10, опубл. 10.05.2008).

Данный материал содержит включения интерметаллидных фаз размером до 10 мкм в количестве 5-20 об.%, способствующих повышению жаропрочности материала, также в матрицу данного материала введены дискретные керамические частицы размером до 50 нм, внедренные в расплав алюминиевого сплава в количестве 0,1-2% от его массы, действующие при кристаллизации как модификаторы, и высокопрочные керамические частицы с размером до 14 мкм, введенные в расплав алюминиевого сплава в количестве 1-5% от его массы. Материал получают введением в расплав алюминиевого сплава спрессованного брикета наполнителей, подвергнутых предварительному высокоэнергетическому перемешиванию, далее после выдержки и перемешивания проводят разливку расплава.

Недостатками известного композиционного материала являются:

- сложность, высокая энергозатратность и стоимость его производства. Внедрение такого материала на производстве, спроектированном для выплавки классических сплавов, потребует серьезной модернизации и дополнительной установки дорогостоящего оборудования для смешивания наполнителей и их прессования;

- введение металлических частиц в брикетированном, а не в свободном виде не позволяет сразу приступить к перемешиванию расплава, что увеличивает время протекания реакций образования интерметаллидов.

В основу изобретения поставлена задача создания ЛКМ, который обладает высокой термодинамической стабильностью упрочняющих частиц и не требует при своем производстве дополнительных мероприятий по изменению в технологической цепочке процесса получения, для снижения себестоимости производства, уменьшения времени протекания реакции образования интерметаллидов, с меньшей энергозатратностью производства.

Поставленная задача решается тем, что литейный композиционный материал на основе алюминия и его сплавов, включающий интерметаллидные частицы TiAl₃, содержит упрочняющие интерметаллидные частицы размером не более 25 мкм в количестве до 35 об.%, образованные в расплаве алюминия при замешивание в него измельченной титановой губки размером фракций не более 5 мм.

Поскольку композиционный материал содержит упрочняющие интерметаллидные частицы размером не более 25 мкм в количестве до 35 об.%, образованные в расплаве алюминия путем введения в него измельченной титановой губки размером фракций не более 5 мм, обеспечивается получение ЛКМ, который обладает высокой термодинамической стабильностью упрочняющих частиц и не требует при своем производстве дополнительных мероприятий по изменению в технологической цепочке процесса получения, для снижения себестоимости производства, уменьшения времени протекания реакции образования интерметаллидов, с меньшей энергозатратностью производства.

Так как частицы упрочнителя имеют естественное происхождение, исключается проблема термодинамического совмещения компонентов композиционного материала и сложности с обеспечением качественной границы раздела между матрицей и наполнителем. Самопроизвольное течение процесса образования интерметаллидных частиц при контакте расплава алюминия с титановой губкой позволяет придерживаться простых, традиционных и недорогих технологий получения отливок. Использование именно титановой губки позволяет облегчить и ускорить процесс получения интерметаллидных частиц из-за высокоразвитой поверхности вводимых частиц.

ЛКМ получают следующим образом.

В расплав алюминия при температуре 700÷800°C (данный температурный интервал оптимален по соотношению энергозатрат и времени протекания процесса образования интерметаллидов) вводят измельченную титановую губку с размером фракций до 5 мм. Больший размер частиц, как показали опытно-экспериментальные работы, приводит к увеличению времени образования интерметаллидов, что показали опытно-экспериментальные работы. Введение титановой губки может осуществляться различными способами, в том числе и свободной засыпкой на зеркало расплава при постоянном перемешивании или введением порции титановой губки под зеркало расплава и последующим перемешиванием.

Введенная в расплав титановая губка реагирует с расплавом алюминия, что приводит к образованию дисперсных частиц TiAl₃ благоприятной округлой формы, размером частиц в среднем 10-25 мкм. Процесс образования интерметаллидов идет с выделением большого количества тепла, что разогревает сплав дополнительно и способствует ускорению процессов образования упрочняющих частиц. Для ускорения процесса образования интерметаллидных частиц можно применять перемешивание расплава. В частности, рекомендуется механическое перемешивание расплава со скоростью вращения импеллера 200-300 об/мин в течение от 5 до 20 мин в зависимости от количества введенной титановой губки, такое перемешивание обеспечивает заметное сокращение времени образования интерметаллидов в сочетании с малыми энергозатратами на свое осуществление. Перед введением титановую губку рекомендуется прокалить в течение 15-30 мин при температуре 200°C для удаления адсорбционной влаги. Процесс легирования аналогичен легированию простых алюминиевых сплавов. В качестве матрицы для данного материала может использоваться любой алюминиевый сплав. После легирования рекомендуется провести рафинирование сплава. В зависимости от объемного содержания упрочнителя в сплаве возможно применение любых техник получения отливок: как свободное литье, так и принудительное. В зависимости от матричного сплава возможно проведение соответствующей термообработки.

Полученные характеристики ЛКМ проиллюстрированы следующим примером.

Было изучено влияние данного упрочнения на сплав системы Al-Mg-Si, так как данная система весьма распространена при создании конструкционных материалов.

Поиск оптимального количества упрочнителя осуществлялся путем пошагового увеличения на 1 (вес.)% вводимой в расплав титановой губки, начав с 2 (вес.)% до количества, обеспечивающего максимальных прирост механических характеристик и позволяющего получать отливки методом свободной заливки. Механические характеристики полученных материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1
Механические характеристики образцов из сплавов с матрицей системы Al-Mg-Si
Количество введенной титановой губки, вес.%	Предел прочности образцов из опытных сплавов (σв, МПа)	Относительное удлинение образцов (δ, %)	Твердость образцов (HRB)
0	205.1	4.5	22.7
2	226.2	4.3	37.8
3	240.1	3.7	38.7
4	251.3	3.2	44.8

По результатам исследования можно заключить, что данное упрочнение алюминиевых литейных сплавов дисперсными частицами TiAl₃ достаточно эффективно. Подобное упрочнение действительно позволяет обеспечить необходимые прочностные характеристики сплава.

Литейный композиционный материал на основе алюминия, содержащий матрицу из алюминия или сплава на его основе и упрочняющие дисперсные интерметаллидные частицы TiAl₃, отличающийся тем, что он содержит упрочняющие интерметаллидные частицы размером не более 25 мкм в количестве до 35 об.%, образованные в расплаве алюминия путем введения в него измельченной титановой губки размером фракций не более 5 мм.