Способ получения алюминиевого сплава, армированного карбидом бора

Изобретение относится к области металлургии и предназначено для изготовления композиционных материалов на основе алюминиевого сплава. Способ получения алюминиевого сплава, армированного карбидом бора, включает плавление алюминия и меди в графито-шамотном тигле в электрической печи сопротивления, введение в расплав при температуре от 850 до 950°С частиц карбида бора и механическое замешивание с помощью четырехлопастной титановой лопасти, при этом частицы карбида бора предварительно нагревают при температуре от 200 до 250°С в течение не менее 20 минут, введение частиц в расплав осуществляют через питатель на дно тигля посредством их вдувания с использованием газа-носителя, механическое замешивание осуществляют при скорости вращения лопасти мешалки от 250 до 350 об/мин, после чего расплав разливают в изложницы и проводят его принудительное охлаждение со скоростью от 10 до 25 град/мин. Изобретение направлено на повышение степени усвоения частиц карбида бора при снижении неоднородности микроструктуры получаемого сплава. 5 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к плавке и литью сплавов цветных металлов, и предназначено для изготовления композиционных материалов на основе алюминиевого сплава.

Известен способ получения алюминиевого сплава, армированного боридом лантана (заявка на патент Китая №102534314, опубл. 04.07.2012), включающий следующие стадии: плавление в плавильной печи технически чистого алюминия, кристаллического кремния, и лигатуры алюминий-бор при температуре от 800 до 1200°С с выдержкой от 5 до 10 минут, последующее добавление технически чистого лантана и выдержку в течение от 10 до 15 минут, рафинирование и разливку полученного сплава.

Недостатком технического решения является высокие безвозвратные потери лантана, а также его неравномерное распределение в полученном алюминиевом сплаве, поскольку в способе использован технически чистый лантан, после добавления которого, проводят его выдержку в сплаве в течение от 10 до 15 минут, в ходе которой лантан опускается на подину печи.

Известен способ получения алюминиевого композиционного сплава, (заявка на патент США № 2013189151, опубл. 25.07.2013), включающий ввод в расплав алюминия армирующих частиц посредством их вдувания с использованием газа-носителя одного из компонентов: борида титана, карбида титана, ванадия или циркония, последующую выдержку при температуре от 750 до 1200°С в течение от 5 до 60 минут, разливку полученного сплава и его кристаллизацию.

Недостатком технического решения является достаточно большие безвозвратными потери алюминия, а также ванадия и циркония, так как при получении алюминиевого композиционного сплава проводят выдержку при высоких температурах (до 1200°С) при времени выдержки до 60 минут.

Известен способ получения композиционного сплава на основе алюминия (заявка на патент Китая №1540019, опубл. 27.10.2004), включающий смешивание порошка алюминия, оксида титана и углерода, последующее измельчение порошков в планетарной мельнице, предварительный нагрев полученной смеси при температуре от 100 до 150°С в атмосфере аргона и последующий ее ввод в расплав алюминия при температуре от 800 до 1200°С, выдержку расплава от 3 до 10 минут при непрерывном перемешивании, рафинирование, дегазацию и разливку полученного сплава в изложницы.

Недостатком известного технического решения является его многостадийность, поскольку в способе использованы предварительные энергоемкие операции: измельчение порошков после их смешивания, а также предварительный нагрев полученной смеси в атмосфере аргона. Кроме того, описанный способ характеризуется достаточно большими безвозвратными потерями алюминия, так как при получении алюминиевого композиционного сплава проводят выдержку при высоких температурах (до 1200°С).

Известен способ получения литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава (патент РФ №2353475, опубл. 27.04.2009), включающий 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 от 28 до 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 от 20 до 30 минут для протекания процессов распределения керамических частиц по объему расплава указанного алюминиевого сплава, затем осуществляют перемешивание и разливку.

Недостатком известного технического решения является его многостадийность, и сложность аппаратурного оформления, поскольку в способе использованы предварительные энергоемкие операции: смешивание порошков и брикетирование полученной смеси под давлением от 28 до 35 МПа. Кроме того, литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава, полученный по описанному способу, может характеризоваться не равномерным распределением армирующих частиц, поскольку вводимые в расплав брикеты опускается на подину печи.

Известен способ получения композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного карбидом бора В4С (патент РФ №2639088, опубл. 19.12.2017), принятый за прототип, включающий плавление алюминия и меди технической чистоты в графито-шамотном тигле в электрической печи сопротивления, введение в расплав при температуре от 850 до 950°С частиц В4С размером от 1 до 20 мкм путем механического замешивания со скоростью вращения 450 об/мин с помощью четырехлопастной титановой лопатки и заливки расплава в матрицу с последующей кристаллизацией под давлением от 50 до 200 МПа.

Недостатком известного технического решения является неравномерное распределение упрочняющих частиц карбида бора в полученном алюминиевом сплаве, поскольку при скорости вращения лопасти мешалки 450 об/мин возникают завихрения и налипание агломератов частиц на лопасти и боковые стенки тигля, а также возникают очаги скопления частиц карбида бора. Кроме того, способ характеризуется низким качественным переходом карбида бора в сплав от исходного содержания его при загрузке из-за резкого нагрева частиц при их вводе в расплав при температуре от 850 до 950°С.

Техническим результатом является повышение степени усвоения частиц карбида бора при снижении неоднородности микроструктуры получаемого сплава.

Технический результат достигается тем, что частицы карбида бора предварительно нагревают при температуре от 200 до 250°С в течение не менее 20 минут, после чего осуществляют их ввод в расплав через питатель на дно тигля посредством их вдувания с использованием газа-носителя, а после их ввода осуществляют механическое замешивание при скорости вращения лопасти мешалки от 250 до 350 об/мин, после проведения реакции расплав разливают в изложницы, после чего проводят его принудительное охлаждение со скоростью от 10 до 25 град/мин.

Способ осуществляется следующим образом.

В графито-шамотный тигель загружают слитки алюминия и меди, затем погружают тигель в электрическую печь сопротивления с целью расплавления слитков. Параллельно с этим осуществляют предварительную подготовку частиц карбида бора посредством их нагрева при температуре от 200 до 250°С в течение не менее 20 минут. После чего в расплав при температуре от 850 до 950°С вводят предварительно подготовленные частицы карбида бора через питатель на дно тигля посредством их вдувания с использованием газа-носителя, и после ввода осуществляют их механическое замешивание с помощью четырехлопастной титановой лопасти при скорости вращения лопасти мешалки от 250 до 350 об/мин. В качестве газа-носителя может быть использован инертный газ, например аргон или азот. После проведения реакции полученный расплав разливают в изложницы, после чего проводят его принудительное охлаждение со скоростью от 15 до 20 град/мин.

Температура, при которой происходит приготовление сплава, задана из диапазона от 850 до 950°С. Заданный диапазон температур объясняется устойчивым и равномерным распределением эвтектик Al-Cu. С понижением температуры ниже 850°С не достигается повышение степени усвоения частиц карбида бора, а также не достигается их равномерное распределения из-за интенсивного формирования композиционного каркаса алюминиевой матрицы, который затрудняет распределения соседних частиц по всему объему расплава. При повышении температуры выше 950°С образуются очаги скопления и слипания частиц между собой, кроме того, при этой температуре возможен переход и образование карбида алюминия, что отрицательно сказывается на механических свойствах полученного сплава.

Предварительный нагрев частиц карбида бора при температуре от 200 до 250°С в течение не менее 20 минут осуществляют для повышения степени усвоения частиц карбида бора и образования каркаса в алюминиевой матрице. При нагреве частиц при температуре менее 200°С в течение менее 20 минут не происходит повышение степени усвоения частиц карбида бора и не происходит равномерное формирование кристаллитов из-за образования искаженного каркаса получаемого сплава. Кроме того, при нагреве менее 20 минут в полученном сплаве имеются очаги жидко-твердого состояния с нераспределенными структурами композитов. При нагреве при температуре более 250°С происходит разрушение и размывание микроструктур возле центров кристаллизации и частиц карбида бора.

Ввод частиц карбида бора в расплав через питатель на дно тигля посредством их вдувания с использованием газа-носителя обеспечивает их дозированную подачу на лопасти мешалки и равномерное распределение частиц по объему расплава без их всплытия на поверхность и перехода в шлак, что также обеспечивает повышение степени усвоения частиц карбида бора.

Механическое замешивание проводят при скорости вращения лопасти мешалки от 250 до 350 об/мин, что обеспечивает повышение степени усвоения частиц карбида бора, а также получение равномерной структуры получаемого сплава. При скорости вращения лопасти мешалки менее 250 об/мин возникают зоны неравномерного распределения частиц карбида бора в микрообъемах. При скорости вращения лопасти мешалки более 350 об/мин возникают завихрения и налипание агломератов частиц на мешалку и боковые стенки тигля.

Принудительное охлаждение полученного сплава, разлитого в изложницы, со скоростью от 10 до 25 град/мин осуществляют для снижения неоднородности микроструктуры получаемого сплава. При скорости охлаждения менее 10 град/мин проявляется неоднородность структуры, связанная с образованием крупных зерен по краю заготовки в местах контакта тигля и расплава, при скорости охлаждения более 25 град/мин неравномерность связана с тем, что формирующиеся с большей скоростью интерметаллидные соединения разрезают иглообразными фазами алюминиевую матрицу.

Способ поясняется следующими примерами.

Пример 1

В графито-шамотный тигель загружали слитки алюминия 237 гр. и меди 13 гр., затем погружали тигель в электрическую печь сопротивления с целью расплавления слитков. Параллельно с этим осуществляли предварительную подготовку частиц карбида бора 20 гр. посредством их нагрева при температуре 200 в течение 20 минут. После чего в расплав при температуре 850°С вводили предварительно подготовленные частицы карбида бора через питатель на дно тигля посредством их вдувания с использованием газа-носителя, после чего осуществляли их механическое замешивание с помощью четырехлопастной титановой лопасти при скорости вращения лопасти мешалки 250 об/мин. После проведения реакции полученный расплав разливали в изложницы, и проводили его принудительное охлаждение со скоростью 15 град/мин.

Технологические условия обеспечивают качественный переход карбида бора в сплав 97,1% от исходного содержания его при загрузке, при этом полученный сплав характеризуется однородностью микроструктуры.

Пример 2

В графито-шамотный тигель загружали слитки алюминия 237 гр. и меди 13 гр., затем погружали тигель в электрическую печь сопротивления с целью расплавления слитков. Параллельно с этим осуществляли предварительную подготовку частиц карбида бора 20 гр. посредством их нагрева при температуре 225 в течение 22 минут. После чего в расплав при температуре 900°С вводили предварительно подготовленные частицы карбида бора через питатель на дно тигля посредством их вдувания с использованием газа-носителя, после чего осуществляли их механическое замешивание с помощью четырехлопастной титановой лопасти при скорости вращения лопасти мешалки 300 об/мин. После проведения реакции полученный расплав разливали в изложницы, и проводили его принудительное охлаждение со скоростью 20 град/мин.

Технологические условия обеспечивают качественный переход карбида бора в сплав 96,7% от исходного содержания его при загрузке, при этом полученный сплав характеризуется однородностью микроструктуры.

Пример 3

В графито-шамотный тигель загружали слитки алюминия 237 гр. и меди 13 гр., затем погружали тигель в электрическую печь сопротивления с целью расплавления слитков. Параллельно с этим осуществляли предварительную подготовку частиц карбида бора 20 гр. посредством их нагрева при температуре 250°С в течение 24 минут. После чего в расплав при температуре 950°С вводили предварительно подготовленные частицы карбида бора через питатель на дно тигля посредством их вдувания с использованием газа-носителя, после чего осуществляли их механическое замешивание с помощью четырехлопастной титановой лопасти при скорости вращения лопасти мешалки 350 об/мин. После проведения реакции полученный расплав разливали в изложницы, и проводили его принудительное охлаждение со скоростью 25 град/мин.

Технологические условия обеспечивают качественный переход карбида бора в сплав 96,5% от исходного содержания его при загрузке, при этом полученный сплав характеризуется однородностью микроструктуры.

Кроме того, приведены примеры реализации предлагаемого способа, при технологических параметрах, взятых за пределами заявленных диапазонов.

Пример 4

В графито-шамотный тигель загружали слитки алюминия 237 гр. и меди 13 гр., затем погружали тигель в электрическую печь сопротивления с целью расплавления слитков. Параллельно с этим осуществляли предварительную подготовку частиц карбида бора 20 гр. посредством их нагрева при температуре 180°С в течение 18 минут. После чего в расплав при температуре 800°С вводили предварительно подготовленные частицы карбида бора через питатель на дно тигля посредством их вдувания с использованием газа-носителя, после чего осуществляли их механическое замешивание с помощью четырехлопастной титановой лопасти при скорости вращения лопасти мешалки 200 об/мин. После проведения реакции полученный расплав разливали в изложницы, и проводили его принудительное охлаждение со скоростью 8 град/мин.

Технологические условия не обеспечивают качественный переход карбида бора в сплав, при этом полученный сплав характеризуется низкой однородностью микроструктуры.

Пример 5

В графито-шамотный тигель загружали слитки алюминия 237 гр. и меди 13 гр., затем погружали тигель в электрическую печь сопротивления с целью расплавления слитков. Параллельно с этим осуществляли предварительную подготовку частиц карбида бора 20 гр. посредством их нагрева при температуре 280°С в течение 15 минут. После чего в расплав при температуре 1000°С вводили предварительно подготовленные частицы карбида бора через питатель на дно тигля посредством их вдувания с использованием газа-носителя, после чего осуществляли их механическое замешивание с помощью четырехлопастной титановой лопасти при скорости вращения лопасти мешалки 400 об/мин. После проведения реакции полученный расплав разливали в изложницы, и проводили его принудительное охлаждение со скоростью 30 град/мин.

Технологические условия не обеспечивают качественный переход карбида бора в сплав из-за большого количества перехода частиц в шлак.

Таким образом, как показано в описании, в предлагаемом техническом решении созданы технологические условия для повышение степени усвоения частиц карбида бора с получением слитков сплава с однородной микроструктурой и равномерное распределение упрочняющих частиц карбида бора в алюминиевой матрице без ликвации.

Способ получения алюминиевого сплава, армированного карбидом бора, включающий плавление алюминия и меди в графито-шамотном тигле в электрической печи сопротивления, введение в расплав при температуре от 850 до 950°С частиц карбида бора, механическое замешивание с помощью четырехлопастной титановой лопасти, отличающийся тем, что частицы карбида бора предварительно нагревают при температуре от 200 до 250°С в течение не менее 20 минут, после чего осуществляют их ввод в расплав через питатель на дно тигля посредством их вдувания с использованием газа-носителя, а после их ввода осуществляют механическое замешивание при скорости вращения лопасти мешалки от 250 до 350 об/мин, после проведения реакции расплав разливают в изложницы, после чего проводят его принудительное охлаждение со скоростью от 10 до 25 град/мин.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к жаропрочным литейным и деформируемым алюминиевым сплавам систем Al-Cu-Y и Al-Cu-Er, упрочняемым термической и деформационной обработкой. Заявлены варианты жаропрочных литейных и деформируемых алюминиевых сплавов.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению порошков квазикристаллических материалов. Способ получения порошка квазикристаллического материала системы Al–Cu– Fe включает перемешивание порошков алюминия, меди и железа при соотношении компонентов, соответствующем области существования квазикристаллической фазы сплава системы Al–Cu–Fe, нагрев полученной смеси порошков для инициирования синтеза квазикристаллического материала и отжиг продукта реакции для стабилизации химического состава квазикристаллического материала в бескислородной атмосфере с последующим измельчением спека до получения порошка заданной дисперсности, при этом нагрев смеси порошков для инициирования синтеза и отжиг осуществляют в вытянутом тигле с диаметром 5-100 см в квазистационарном режиме синтеза квазикристаллического материала, при котором тигель со смесью порошков вводят в проходную печь с диаметром, на 3-5 мм превышающем диаметр тигля, со скоростью равной скорости передвижения фронта химической реакции синтеза, направленного навстречу движению вводимого тигля, с обеспечением при нагреве смеси порошков постоянного относительно печи теплового поля на фронте химической реакции синтеза и в зоне отжига, при этом протяжённость зоны отжига, формирующейся непосредственно за фронтом химической реакции синтеза, составляет 2 - 5 диаметра тигля.

Изобретение относится к продуктам из сплава на основе алюминия, в частности, системы Al-Cu-Li-Mg. Может использоваться для изготовления листовых продуктов, используемых в авиастроении.

Изобретение относится к алюминиевым сплавам, которые могут быть использованы для производства компонентов систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и охлаждения (ОВКВиО) во внутренних и наружных блоках. Сплав алюминия содержит, мас.%: Cu 0,01-0,4, Fe 0,05-0,40, Mg 0,05-0,8, Mn 0,001-2,0, S 0,05-0,25, Ti 0,001-0,20, Zn 0,001-0,20, Cr 0-0,05, Pb 0-0,005, Ca 0-0,03, Cd 0-0,004, Li 0-0,0001, Na 0-0,0005, неизбежные примеси до 0,03 каждой и до 0,10 в сумме, остальное - алюминий.

Изобретение относится к алюминиевым сплавам и может быть использовано в автомобильной промышленности. Листовой алюминиевый сплав содержит, мас.%: Cu 0,45-0,65, Fe 0,01-0,40, Mg 0,40-0,80, Mn 0-0,40, Si 0,40-0,7, Cr 0-0,2, Zn 0-0,1, Ti 0-0,20, примеси следовых элементов максимум 0,10, остальное - Al и имеет предел текучести от 250 МПа и выше.

Изобретение относится к получению алюминиевых сплавов, содержащих медь и углерод. Способ получения алюминиевого сплава, содержащего Cu и C, включает приготовление расплава Al, содержащего Cu, добавление к расплаву частиц графита и частиц ускорителя науглероживания, содержащего бор или соединение бора, при температуре в от 800°C до 1000°C в атмосфере с низкой концентрацией кислорода или атмосфере защитного газа, удаление шлакового ускорителя науглероживания, который образуется из частиц ускорителя науглероживания и всплывает на поверхности расплава после диспергирования графита в расплаве и литье полученного расплава в литейную форму.

Изобретение относится к деформированным изделиям из алюминиево-медно-литиевых сплавов и может быть использовано для изготовления конструктивных элементов для авиационной и космической промышленности. Способ полунепрерывной разливки алюминиево-медно-литиевого сплава включает получение ванны жидкого металла из сплава, содержащего, мас.%: Cu 2,0-6,0; Li 0,5-2,0; Mg 0-1,0; Ag 0-0,7; Zn 0-1,0; и по меньшей мере один элемент, выбранный из группы Zr, Mn, Cr, Sc, Hf и Ti, примеси ≤ 0,15 в сумме и ≤ 0,05 каждой, остальное – алюминий, полунепрерывную вертикальную разливку с получением сляба, при этом содержание водорода в ванне жидкого металла поддерживают ниже 0,4 мл/100 г, а содержание кислорода, измеренное над поверхностью расплава, ниже 0,5 об.%, разливку осуществляют с использованием распределителя, выполненного из углеродной ткани, имеющего нижнюю поверхность, верхнюю поверхность, ограничивающую отверстие, через которое вводят жидкий металл, и стенку прямоугольного сечения, причем стенка содержит две продольные части, параллельные ширине сляба, и две поперечные части, параллельные толщине сляба, причем поперечные и продольные части образованы двумя тканями, первой полужесткой и запирающей тканью, обеспечивающей поддержание формы распределителя во время разливки, и второй незапирающей тканью, обеспечивающей прохождение и фильтрование жидкого металла, первая и вторая ткани связаны друг с другом без нахлестки или внахлестку и без разделяющего их зазора, причем первая ткань покрывает непрерывно по меньшей мере 30% поверхности частей стенки и расположена таким образом, чтобы поверхность жидкого металла находилась в контакте с ней по всему сечению.

Изобретение относится к прокатным изделиям из алюминиево-медно-литиевых сплавов, которые могут быть использованы для производства конструкционных элементов. Способ изготовления плиты толщиной по меньшей мере 80 мм включает получение ванны жидкого металла из сплава, содержащего, мас.%: Cu 2,0-6,0; Li 0,5-2,0; Mg 0-1,0; Ag 0-0,7; Zn 0-1,0 и по меньшей мере один элемент, выбранный из группы Zr, Mn, Cr, Sc, Hf и Ti, причем количество упомянутых элементов составляет от 0,05 до 0,20 Zr, от 0,05 до 0,8 Mn, от 0,05 до 0,3 Cr, от 0,05 до 0,3 Sc, от 0,05 до 0,5 Hf и от 0,01 до 0,15 Ti, Si ≤ 0,1; Fe ≤ 0,1; примеси ≤ 0,15 в сумме и ≤ 0,05 каждой, остальное - алюминий, при этом содержание водорода в ванне поддерживают ниже 0,4 мл/100 г, а содержание кислорода, измеренное над поверхностью расплава, ниже 0,5 об.%, полунепрерывную вертикальную разливку с использованием распределителя, выполненного из углеродной ткани, гомогенизацию сляба до или после необязательной механической обработки, горячую прокатку и, необязательно, холодную прокатку для получения плиты, толщина которой составляет по меньшей мере 80 мм, обработку на твердый раствор и закалку, необязательно, снятие внутренних напряжений посредством пластической деформации со степенью деформации по меньшей мере 1%.
Изобретение относится к литейному производству. Способ включает получение отливок из алюминиево-медного сплава, содержащего 6 – 8% Cu, 0,3 – 0,55% Mn, 0,15 – 0,25% Zr, до 0,25% Fe, до 0,125% Si, 0,05 – 0,2% Ti, до 0,04% V, остальное – алюминий и неизбежные примеси.

Изобретение относится к алюминий-литиевым сплавам серии 2ххх. Продукт, выполненный из деформированного алюминиевого сплава, содержащего, мас.%: 3,5-4,4 Cu, 0,45-0,75 Mg, 0,45-0,75 Zn, причем (мас.% Zn)/(мас.% Mg) составляет 0,60-1,67, 0,65-1,000 Li, 0,1-1,0 Ag, от 0,05 до 0,50 по меньшей мере одного элемента, регулирующего зеренную структуру, выбранного из группы, состоящей из Zr, Sc, Cr, V, Hf, редкоземельных элементов и сочетаний из упомянутых элементов, до 1,0 Mn, до 0,15 Ti, до 0,12 Si, до 0,15 Fe, до 0,05 любого другого элемента при суммарном содержании этих элементов не более 0,15 , и остальное – алюминий, имеет толщину по меньшей мере 12,7 мм, и вязкость разрушения при плоской деформации (KIc) по меньшей мере 22 ksi·√in.

Изобретение может быть использовано в химической и лёгкой промышленности, металлургии, военной технике и медицине при изготовлении твердых сплавов, керметов, режущих инструментов, таких как сверла, фрезы, поворотные режущие пластинки или строгальные ножи, высоконагружаемых деталей, таких как сверлильные головки, нейтронных отражателей, бронебойных снарядов, шариков для шариковых ручек, шипов противоскольжения для шин или обуви, хирургических инструментов.
Наверх