RU2542221C2

RU2542221C2 - Method for obtaining cylindrical workpiece in form of rod from metallic reinforced composite material

Info

Publication number: RU2542221C2
Application number: RU2013129193/02A
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Логинов; Людмила Алексеевна Мальцева; Татьяна Викторовна Мальцева; Анна Владимировна Левина; Дарья Сергеевна Тюшляева
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2015-02-20
Also published as: RU2013129193A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: method involves arrangement in a cylindrical vessel of wire from strengthening metallic material, melting of die metal, filling of the vessel with molten metal of the die and its crystallisation; with that, wire from strengthening material obtains a shape of a spiral with turns that do not adjoin each other, the vessel is made in the form of a tube, filling of the vessel with molten metal is performed by its suction at the ageing temperature of strengthening metallic material, and after the vessel is filled, exposure is provided, which is sufficient for completion of an ageing process.

EFFECT: strengthening composite material in a tangential direction.

4 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к методам получения заготовок типа прутков из композиционных материалов литейными технологиями.The invention relates to the field of metallurgy, and in particular to methods for producing blanks such as rods from composite materials by casting technologies.

Из уровня техники известен способ упрочнения материалов за счет расположения снаружи заготовки из металла-матрицы упрочняющих волокон или проволоки [1, с.86] или патент [2]. Этот способ предполагает навивку волокон или проволоки из более прочного материала на поверхность детали или заготовки, изготовленной из менее прочного, но, например, более легкого металла. Тем самым увеличивают прочность конструкции в целом, а особенно прочностные свойства в тангенциальном направлении - т.е. в том направлении, куда направлены оси волокон или проволоки. Однако отмечаются и недостатки способа: упрочняющие волокна или проволока не защищены от коррозии. Поэтому целесообразно размещать волокна или проволоку внутри металла-матрицы.The prior art method for hardening materials due to the location on the outside of the workpiece from a metal matrix reinforcing fibers or wire [1, p. 86] or patent [2]. This method involves winding fibers or wires of more durable material onto the surface of a part or workpiece made of a less durable but, for example, lighter metal. This increases the strength of the structure as a whole, and especially the strength properties in the tangential direction - i.e. in the direction where the axis of the fibers or wire is directed. However, there are also disadvantages of the method: reinforcing fibers or wire are not protected from corrosion. Therefore, it is advisable to place the fibers or wire inside the metal matrix.

Эта техническая задача решалась в описании к патенту Великобритании № GB 1201654 [3]. Этим изобретением был предложен способ изготовления композиционного материала, предусматривающий введение в металл матрицы (алюминий, дюралюминий) упрочняющих волокон из нержавеющей стали. При этом метод заключался в навивке упрочняющей проволоки на барабан и распылении расплавленного алюминия на поверхность проволоки с заполнением пустот между витками. Недостатком способа является сложность приемов, поэтому для его осуществления авторами была предложен специальный агрегат.This technical problem was solved in the description of the patent of Great Britain No. GB 1201654 [3]. This invention proposed a method of manufacturing a composite material, comprising introducing into the matrix metal (aluminum, duralumin) reinforcing fibers of stainless steel. The method consisted in winding a reinforcing wire onto a drum and spraying molten aluminum onto the surface of the wire with filling voids between the turns. The disadvantage of this method is the complexity of the techniques, so the authors proposed a special unit for its implementation.

Из уровня техники известен способ получения волокнистого композиционного материала с использованием в качестве армирующего материала проволоки по патенту Германии № DE 4300283 [4]. Способ включает ортогональное переплетение проволоки из упрочняющего материала с созданием армирующей конструкции в виде сетки и размещение в таком виде упрочняющего элемента в металле-матрице. Недостатком способа является трудоемкость операции подготовки армирующего материала, что приводит к существенному удорожанию технологии и продукта.The prior art method for producing a fibrous composite material using as a reinforcing material wire according to German patent No. DE 4300283 [4]. The method includes orthogonal weaving of the wire from the reinforcing material with the creation of a reinforcing structure in the form of a mesh and placing the reinforcing element in this form in the metal matrix. The disadvantage of this method is the complexity of the preparation of the reinforcing material, which leads to a significant increase in the cost of technology and product.

Известен способ получения высокопрочного композиционного материала, приведенный в описании к патенту [5]. Способ предполагает перемешивание металлических материалов в состоянии двух фаз. Первая фаза представляет собой матрицу, предпочтительно из алюминия. Вторая фаза (5…60% по объему) имеет зеренную структуру, по крайней мере, частично мартенситную и она может иметь вид волокон или проволоки. Предполагается процесс совместного уплотнения этих фаз в диапазоне температур 400…700°С и при давлении 100…300 МПа. Здесь видно, что процесс представляет, по сути, твердофазную обработку материалов, что требует создания давлений с помощью специальных прессовых установок. Таким образом, недостатком процесса является необходимость использования дорогостоящего оборудования.A known method of obtaining high strength composite material described in the description of the patent [5]. The method involves mixing metallic materials in a state of two phases. The first phase is a matrix, preferably of aluminum. The second phase (5 ... 60% by volume) has a grain structure, at least partially martensitic, and it can take the form of fibers or wire. The process of joint compaction of these phases in the temperature range of 400 ... 700 ° C and at a pressure of 100 ... 300 MPa is assumed. Here you can see that the process is, in fact, solid-phase processing of materials, which requires the creation of pressures using special press systems. Thus, the disadvantage of the process is the need to use expensive equipment.

В качестве прототипа выбран способ получения волокнистого металлического композиционного материала, приведенный в описании к патенту США № US 4617979 [6].As a prototype of the selected method for producing a fibrous metal composite material described in the description of US patent No. US 4617979 [6].

Способ включает расплавление материала матрицы, размещение в емкости с цилиндрической внутренней поверхностью проволоки из упрочняющего материала, заполнение емкости расплавленным металлом и его кристаллизацию с получением цилиндрической заготовки, Особенностью способа является придание проволоке из упрочняющего материала формы коротких волокон. Тем самым при расположении волокон в металле матрицы достигается равновероятная ориентация волокон, что приводит к достижению изотропного состояния композиционного материала. Однако во многих случаях применения композиционных материалов требуется получить повышенные значения прочности в определенном направлении, т.е. требуется получить анизотропное состояние вещества. Поэтому недостатком прототипа является невозможность получения повышенных свойств готового продукта в заданном направлении.The method includes melting the matrix material, placing a wire of reinforcing material in a container with a cylindrical inner surface, filling the container with molten metal and crystallizing it to produce a cylindrical billet. A feature of the method is to make the wire of the reinforcing material form short fibers. Thus, when the fibers are arranged in the matrix metal, an equally probable orientation of the fibers is achieved, which leads to the achievement of the isotropic state of the composite material. However, in many cases of the use of composite materials, it is required to obtain increased strength values in a certain direction, i.e. it is required to obtain the anisotropic state of the substance. Therefore, the disadvantage of the prototype is the inability to obtain enhanced properties of the finished product in a given direction.

Предлагаемый способ включает размещение в цилиндрической емкости армирующей проволоки из металлического упрочняющего материала, расплавление металла матрицы, заполнение емкости расплавленным металлом и его кристаллизацию.The proposed method includes placing a reinforcing wire of a metal reinforcing material in a cylindrical container, melting the matrix metal, filling the container with molten metal and crystallizing it.

В отличие от прототипа армирующей проволоке из металлического упрочняющего материала придают форму спирали с неприлегающими друг к другу витками, емкость выполняют в виде трубки, заполнение емкости расплавленным металлом матрицы осуществляют путем его всасывания при температуре старения металлического упрочняющего материала, а после заполнения емкости обеспечивают выдержку, достаточную для завершения процесса старения.In contrast to the prototype, a reinforcing wire made of metal reinforcing material is shaped into a spiral with turns not adjacent to each other, the container is made in the form of a tube, the container is filled with molten metal of the matrix by suction at the aging temperature of the metal reinforcing material, and after filling the container, an exposure time sufficient to complete the aging process.

Сущность предложения заключается в том, что проволока в виде спирали имеет упорядоченное строение, которое задается ее формой, ориентация проволоки в витках спирали соответствует тангенциальной координате получаемой заготовки, таким образом, в тангенциальном направлении произойдет максимальное упрочнение композиционного материала в целом. Такое анизотропное строение композита позволит усилить конструкцию детали в заданном направлении. Кроме того, форма спирали по отношению к хаотически расположенным отрезкам проволоки или волокон имеет то преимущество, что расстояния между витками спирали одинаковы, т.е. удается получить однородное строение композита. Спираль может иметь прилегающие друг к другу витки, но это нецелесообразно, так как в местах прилегания теряется контакт с металлом-матрицей и ослабляется связь системы материалов. Поэтому выбрана форма спирали с неприлегающими друг к другу витками. Заполнение емкости расплавленным металлом осуществляют путем его всасывания, что создает возможность получения длинномерных заготовок. При обычной заливке металла в узкий тигель не удается получить качественной структуры металла из-за создания большого сопротивления перемещению расплава. The essence of the proposal lies in the fact that the wire in the form of a spiral has an ordered structure, which is determined by its shape, the orientation of the wire in the coils of the spiral corresponds to the tangential coordinate of the obtained workpiece, thus, in the tangential direction, the maximum hardening of the composite material as a whole will occur. Such an anisotropic structure of the composite will enhance the design of the part in a given direction. In addition, the shape of the spiral with respect to randomly spaced pieces of wire or fibers has the advantage that the distances between the turns of the spiral are the same, i.e. It is possible to obtain a homogeneous composite structure. The spiral can have coils adjacent to each other, but this is impractical, since in the places of contact the contact with the metal matrix is lost and the bond of the material system is weakened. Therefore, the shape of the spiral with non-adjacent turns was chosen. Filling the tank with molten metal is carried out by its absorption, which creates the possibility of obtaining lengthy workpieces. In the usual pouring of metal into a narrow crucible, it is not possible to obtain a qualitative metal structure due to the creation of a large resistance to the movement of the melt.

Заполнение емкости расплавленным металлом ведут при температуре старения упрочняющего материала. Это позволяет повысить прочность упрочняющего материала на стадии заливки и не проводить старение как отдельную технологическую операцию. Свойством упрочнения при старении за счет распада пересыщенных твердых растворов обладает большой ряд конструкционных материалов, среди которых аустенитные метастабильные стали, железохромникелевые стали, бериллиевая бронза и др. Предварительно такие упрочняющие материалы подвергают закалке для фиксации пересыщенного раствора.Filling the tank with molten metal is carried out at an aging temperature of the reinforcing material. This allows you to increase the strength of the reinforcing material at the stage of pouring and not to carry out aging as a separate technological operation. A large number of structural materials possess the property of hardening during aging due to the decomposition of supersaturated solid solutions, including austenitic metastable steels, iron-nickel steels, beryllium bronze, etc. Such hardening materials are preliminarily quenched to fix the supersaturated solution.

После заполнения емкости расплавленным металлом обеспечивают выдержку расплава при температуре старения, достаточную для завершения старения. Это позволяет обеспечить максимальные прочностные свойства упрочняющему материалу, а следовательно, и всему композиту.After filling the container with molten metal, the melt is maintained at an aging temperature sufficient to complete aging. This allows you to provide maximum strength properties of the reinforcing material, and therefore the entire composite.

На фиг.1 изображен фрагмент проволоки из упрочняющего материала в виде спирали, на фиг.2 показана схема размещения в трубке проволоки из упрочняющего материала в виде спирали, на фиг.3 показана схема заполнения емкости расплавленным металлом путем его всасывания, на фиг.4 показана заготовка из композиционного материала, полученная этим методом.Figure 1 shows a fragment of a wire of reinforcing material in the form of a spiral, figure 2 shows a layout of a wire of reinforcing material in the form of a spiral in a tube, figure 3 shows a diagram of filling a container with molten metal by suction, figure 4 shows a blank of composite material obtained by this method.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Пример 1. Проволоке из упрочняющего материала сообщают форму спирали 1 (фиг.1) с неприлегающими друг к другу витками и размещают в емкости в виде трубки 2, выполненной, например, из кварцевого стекла, совмещая ось спирали с осью емкости (фиг.2). Материал матрицы 3 (фиг.3) расплавляют в тигле 4 и погружают в расплав трубку 2. Осуществляют заполнение полости трубки расплавленным металлом снизу вверх в направлении черной стрелки путем его всасывания за счет откачки воздуха вакуум-насосом в направлении фигурной стрелки. После заполнения трубки расплавом металла проводят кристаллизацию. Трубку из кварцевого стекла разбивают и извлекают заготовку из композиционного материала, содержащего матрицу 3 в виде прутка, армированного проволокой из упрочняющего материала 1 (фиг.4).Example 1. A wire of reinforcing material informs the shape of the spiral 1 (Fig. 1) with turns not adjacent to each other and placed in a container in the form of a tube 2, made, for example, of quartz glass, combining the axis of the spiral with the axis of the container (Fig. 2) . The matrix material 3 (FIG. 3) is melted in the crucible 4 and the tube 2 is immersed in the melt. The cavity of the tube is filled with molten metal from the bottom up in the direction of the black arrow by suctioning it by pumping air with a vacuum pump in the direction of the curved arrow. After filling the tube with a molten metal, crystallization is carried out. A quartz glass tube is broken and a preform is removed from a composite material containing a matrix 3 in the form of a rod reinforced with a wire from reinforcing material 1 (Fig. 4).

Пример 2. Одно из наиболее часто используемых сочетаний металла-матрицы и упрочняющего материала - это алюминий (алюминиевый сплав) и нержавеющая сталь. Температура старения стали марки Х10К13М5 лежит в интервале 500…700°С [7, с.196]. Температура плавления алюминия равна 659°С, с учетом необходимого перегрева металла для повышения жидкотекучести температура литья составляет 700°C. Это позволяет обеспечить нагрев упрочняющего материала до необходимой температуры, при которой начинаются процессы выделения упрочняющих фаз. В результате удается повысить прочность упрочняющего материала на стадии заливки и не проводить старение как отдельную технологическую операцию. Поэтому заливку расплавленного материала матрицы ведут при температуре старения упрочняющего материала.Example 2. One of the most commonly used combinations of matrix metal and reinforcing material is aluminum (aluminum alloy) and stainless steel. The aging temperature of steel grade X10K13M5 lies in the range of 500 ... 700 ° C [7, p.196]. The melting temperature of aluminum is 659 ° C, taking into account the necessary overheating of the metal to increase fluidity, the casting temperature is 700 ° C. This allows heating the hardening material to the required temperature at which the processes of separation of the hardening phases begin. As a result, it is possible to increase the strength of the reinforcing material at the pouring stage and not to conduct aging as a separate technological operation. Therefore, the pouring of the molten matrix material is carried out at an aging temperature of the reinforcing material.

Пример 3. Прием совмещения заливки расплавленного металла и старения позволяет начать процесс старения, но поскольку это диффузионный процесс, имеющий собственную скорость, то его полнота прохождения зависит от времени. Это время также зависит от температуры: при более высоких температурах старение происходит быстрее.Example 3. The method of combining pouring molten metal and aging allows you to start the aging process, but since this is a diffusion process having its own speed, its completeness depends on time. This time also depends on temperature: at higher temperatures, aging occurs faster.

Поэтому после заливки расплавленного материала матрицы обеспечивают выдержку расплава при температуре старения, достаточную для завершения старения. Это позволяет обеспечить рациональные механические свойства упрочняющему материалу, а следовательно, и всему композиту. Например, для стали Н18К8М5Т наблюдается рост временного сопротивления при старении с выдержкой до 50 ч [7, с.197] при достижении временного сопротивления 2300 МПа против начального значения 1000 МПа.Therefore, after pouring the molten material, the matrices provide exposure to the melt at an aging temperature sufficient to complete aging. This allows you to ensure rational mechanical properties of the reinforcing material, and therefore the entire composite. For example, for steel N18K8M5T, an increase in the temporary resistance is observed during aging with a holding time of up to 50 hours [7, p .97] when a temporary resistance of 2300 MPa is reached against the initial value of 1000 MPa.

Из уровня техники известно, что применение упрочняющих волокон и проволоки в композиционных материалах позволяет существенно повысить прочность детали. Так, прочность нетермоупрочняемого алюминиевого сплава АМг6 в обычном состоянии составляет 315 МПа [8], а того же сплава, армированного сталью 12Х18Н10Т, при объемной доле волокон 30% и линейном их расположении составляет 814 МПа [1, табл.4.26], что в 2,6 раза выше. Испытания волокнистых композиционных материалов производят вдоль расположения волокон, поэтому такое увеличение прочности при линейном расположении волокон достигается вдоль их длины. В предлагаемом способе аналогичное упрочнение достигается вдоль периметра заготовки, т.е. в тангенциальном направлении.It is known from the prior art that the use of reinforcing fibers and wire in composite materials can significantly increase the strength of the part. Thus, the strength of the non-heat-strengthened aluminum alloy AMg6 in the normal state is 315 MPa [8], and the same alloy reinforced with steel 12Kh18N10T, with a volume fraction of fibers of 30% and their linear arrangement, is 814 MPa [1, Table 4.26], which is 2 6 times higher. Tests of fibrous composite materials are carried out along the arrangement of fibers; therefore, such an increase in strength with a linear arrangement of fibers is achieved along their length. In the proposed method, a similar hardening is achieved along the perimeter of the workpiece, i.e. in the tangential direction.

Таким образом, по сравнению с прототипом технический результат заключается в достижении упрочнения композиционного материала в тангенциальном направлении, достигаемого за счет контролируемого расположения упрочняющего материала.Thus, in comparison with the prototype, the technical result is to achieve hardening of the composite material in the tangential direction, achieved due to the controlled location of the reinforcing material.

Источники информацииInformation sources

1. Композиционные материалы: Справочник./Под ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение. 1990. 512 с.1. Composite materials: Handbook. / Ed. V.V. Vasiliev, Yu.M. Tarnopolsky. M .: Engineering. 1990.512 s.

2. Патент WO 2012123686. Process for manufacturing a one-piece axisymmetric metallic part from composite fibrous structures. / GODON THIERRY [FR]; DAMBRINE BRUNO JACQUES GERARD и др. Заявители: они же, МПК B22F 3/15; C22C 47/04; C22C 47/06. Заявл. 15.03.2011. Опубл. 20.09.2012.2. Patent WO 2012123686. Process for manufacturing a one-piece axisymmetric metallic part from composite fibrous structures. / GODON THIERRY [FR]; DAMBRINE BRUNO JACQUES GERARD et al. Applicants: them, IPC B22F 3/15; C22C 47/04; C22C 47/06. Claim 03/15/2011. Publ. 09/20/2012.

3. Патент Великобритании GB №1201654. Methods of producing composite materials / Forsyth Peter Joseph Edward; George Ronald Walter. Appl. Mini Of Technology London. МПК B23K 31/00; C22C 47/16. Заявл. 14.06.1967. Опубл. 12.08.1970.3. GB patent GB No. 1201654. Methods of producing composite materials / Forsyth Peter Joseph Edward; George Ronald Walter. Appl. Mini Of Technology London. IPC B23K 31/00; C22C 47/16. Claim 06/14/1967. Publ. 08/12/1970.

4. Патент Германии DE №4300283. Fibre composite with a mixed-wire fabric / Menne Rolf [De]; Essig Wilfried. Appl. Dynamit Nobel Ag, МПК B32B 15/14; C22C 47/20; C22C 49/00. Заявл. 08.01.1993. Опубл. 14.07.1994.4. German patent DE No. 4300283. Fiber composite with a mixed-wire fabric / Menne Rolf [De]; Essig Wilfried. Appl. Dynamit Nobel Ag, IPC B32B 15/14; C22C 47/20; C22C 49/00. Claim 01/08/1993. Publ. 07/14/1994.

5. Патент США US №6346132. High-strength, high-damping metal material and method of making the same / Huber Ulrike [De]; Rauh Rainer [De]; Arzt Eduard. Appl. Daimler Chrysler AG. МПК B22F 1/00; C22C 1/04; C22C 49/06; C22F 1/00. Заявл. 16.09.1998. Опубл. 12.02.2002.5. US patent US No. 6346132. High-strength, high-damping metal material and method of making the same / Huber Ulrike [De]; Rauh Rainer [De]; Arzt Eduard. Appl. Daimler Chrysler AG. IPC B22F 1/00; C22C 1/04; C22C 49/06; C22F 1/00. Claim 09/16/1998. Publ. 02/12/2002.

6. Патент США US №4617979. Method for manufacture of cast articles of fiber-reinforced aluminum composite / Suzuki Nobuyuki [Jp]; Tanaka Kenichi [Jp]; Yamanashi Masanao [JP] и др. Appl. Nikkei Kako Kk [Jp]; Nippon Light Metal Co [Jp]. МПК B22D 19/14, заявл. 15.07.1985. Опубл. 21.10.1986.6. US patent US No. 4617979. Method for manufacture of cast articles of fiber-reinforced aluminum composite / Suzuki Nobuyuki [Jp]; Tanaka Kenichi [Jp]; Yamanashi Masanao [JP] et al. Appl. Nikkei Kako Kk [Jp]; Nippon Light Metal Co [Jp]. IPC B22D 19/14, declared 07/15/1985. Publ. 10/21/1986.

7. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. М., Металлургия, 1985. 408 с.7. Goldstein M.I., Grachev S.V., Veksler Yu.G. Special steels. M., Metallurgy, 1985. 408 p.

8. ГОСТ 18482-79. Трубы прессованные из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия.8. GOST 18482-79. Tubes extruded from aluminum and aluminum alloys. Technical conditions

Claims

A method for producing a cylindrical billet in the form of a bar from a metal reinforced composite material, comprising placing in a cylindrical container a reinforcing wire made of metal reinforcing material, melting the matrix metal, filling the container with molten metal and its crystallization, characterized in that the reinforcing wire made of metal reinforcing material is shaped like a spiral with turns not adjacent to each other, the container is in the form of a tube, filling the container with molten metal Allom matrix is carried out by its absorption at the aging temperature of the metal reinforcing material, and after filling the tank provide an exposure sufficient to complete the aging process.