RU2639088C1 - Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора, и способ его получения - Google Patents
Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора, и способ его получения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2639088C1 RU2639088C1 RU2016119788A RU2016119788A RU2639088C1 RU 2639088 C1 RU2639088 C1 RU 2639088C1 RU 2016119788 A RU2016119788 A RU 2016119788A RU 2016119788 A RU2016119788 A RU 2016119788A RU 2639088 C1 RU2639088 C1 RU 2639088C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- composite material
- boron carbide
- melt
- particles
- copper
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/10—Alloys containing non-metals
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C21/00—Alloys based on aluminium
- C22C21/12—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent
Landscapes
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к плавке и литью сплавов цветных металлов, и предназначено для изготовления композиционных материалов на основе алюминиевого сплава с низким коэффициентом термического расширения для деталей автомобилестроения. Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора В4С, содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: медь 4-6, карбид бора 1-8, алюминий - остальное. Способ получения композиционного материала включает плавление алюминия и меди технической чистоты в графито-шамотном тигле в электрической печи сопротивления, введение в расплав при температуре 850-950°С частиц В4С размером 1-20 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 50-200 МПа. Техническим результатом изобретения является получение композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного карбидом бора, с низким коэффициентом термического расширения. 2 н.п. ф-лы, 3 пр., 10 ил.
Description
Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к плавке и литью сплавов цветных металлов, и предназначено для изготовления композиционных материалов на основе алюминиевого сплава с низким коэффициентом термического расширения для деталей автомобилестроения.
Как известно, поршневые силумины (сплавы на основе системы Al-Si) обладают уникальным комплексом свойств, таких как низкий коэффициент термического расширения (КТР), высокая износостойкость, технологичность при литье, однако уровень их механических свойств, как при комнатной, так и при повышенных температурах уступает большинству литейных алюминиевых сплавов. Проблему повышения механических характеристик при повышенных температурах без потери комплекса остальных свойств могут решить композиционные материалы (КМ). Исследования и разработки КМ на основе алюминиевых сплавов, армированных частицами SiC, Al2O3 и некоторыми другими, показывают возможность разработки сплавов с более высоким комплексом свойств. Такие соединения, как SiC, SiO2, AlN, BN, Si3N4, B4C, имеют более низкий КТР, чем кремний (менее 4⋅10-6 °C-1), что может позволить использовать их в качестве армирующих частиц при разработке КМ с уникальным комплексом свойств. Наиболее перспективными могут стать частицы B4C, введение которых в расплав алюминия не требует трудоемкой предварительной обработки. В настоящем патенте предлагается способ получения КМ на основе сплава Al-5% Cu с низким коэффициентом термического расширения.
Известны два основных способа получения КМ: методами порошковой металлургии и механического замешивания в расплав.
В патенте CN 1540019 A (опубликован 09.11.2005) описывается способ получения композиционного материала на основе алюминия, содержащего частицы TiC и Al2O3 в количестве 3-35 масс. %. Замешивание механически активированной смеси TiC и Al2O3, полученной в планетарной мельнице, производилось в индукционной печи при температуре 1200°C с выдержкой 3-10 минут для прохождения реакций взаимодействия между компонентами. Дальнейшая разливка осуществлялась под давлением в графитовую изложницу. Недостатком данного изобретение является применение энергозатратной технологии механического легирования, приводящей к увеличению длительности производства и стоимости конечного продукта.
В патенте CN 1327014 C (приоритет 02.06.2005) описывается композиционный материал, армированный квазикристаллическими частицами AlCuFe, и способ его получения. Способ получения заключается в замешивании квазикристаллических частиц состава AlxCuyFez, где x, y, z - атомный процент (x+y+z=100), 62≤x≤67, 21≤y≤26, 12≤z≤15, размером 20-100 мкм, в расплаве алюминиевого сплава состава AlaMbNc, где a, b, c - массовые проценты (a+b+с=100): 86≤a≤100, 0≤b≤13, 0≤c≤1, а M представляет один из элементов Mg, Cu, Si, Zn, N - один из элементов Fe, Ni, Cr. Разливка расплава осуществляется под давлением. Основным недостатком данного изобретения является высокая стоимость получения квазикристаллического порошка путем атомизации (распыления расплава под высоким давлением аргона).
В документе CN 1422971 A (опубликован 24.05.2006) описывается композиционный материал на основе алюминия и способ его получения. Материал предназначен для изготовления поршней автомобильных двигателей и содержит кремний (9-16%), медь (0,5-2,5%), никель (0,5-2,0%), магний (0,2-1,5%), титан (0,2-2,0), а также армированный частицами Al2O3 и TiC в количестве 5-15 масс. %.
В патенте CN 102534314 A (опубликован 19.08.2013) описывается композиционный материал на основе алюминия, армированный частицами гексаборида лантана, и способ его получения. Материал содержит 5-20% Si, 0.68-6.82% La, 0.32-3.18% B. Материал получается сплавлением чистых алюминия, лантана, кремния и лигатуры алюминий - бор при температуре 800-1200°C и обычным литьем. Армирование происходит за счет взаимодействия лантана и алюминия в жидком расплаве.
В патенте US 13554896 (опубликован 25.07.2013) описывается метод получения композиционного материал на основе алюминия, армированного частицами TiC, TiB2, V, Zr, заключающийся в интенсивном перемешивании расплава алюминия сжатым инертным газом для равномерного распределения армирующих частиц. Недостатком изобретений CN 1422971 A, CN 102534314 A и US 13554896 является отсутствие давления при кристаллизации, что приводит к повышенной пористости изделий и, как следствие, к снижению механических свойств.
В патенте CN 103757449 A (опубликован 30.04.2014) описывается композиционный материал на основе алюминия, армированный частицами TiB2. Метод получения материала заключается в замешивании частиц TiB2 в расплав алюминия при температуре 1100°C-1400°C и литье под давлением. Недостатком данного изобретения является высокая температура замешивания частиц, при которой происходит сильное окисление расплава и появление большого количество неметаллических включений, что приводит к снижению механических свойств.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является патент US 12897651 (опубликован 05.04.2012), предложен композиционный материал на основе алюминия, армированный частицами Al2O3, SiC, C, SiO2, B, BN, B4C и AlN в количестве более 10% размером 0,1-1 мкм. В качестве алюминиевой матрицы может быть использован один из сплавов систем Al-Si, Al-Cu, серий 2xxx, 6xxx. Недостатком данного изобретения является отсутствие давления при кристаллизации, что приводит к повышенной пористости изделий и, как следствие, снижение механических свойств.
Техническим результатом данного изобретения является композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора, с низким коэффициентом термического расширения. Технический результат достигается за счет сплавления металлов алюминия (86-95 масс. %) и меди (4-6 масс. %) технической чистоты в графито-шамотном тигле в электрической печи сопротивления, введения в расплав при температуре 850-950°С частиц карбида бора (1-8 масс. %) размером 1-20 мкм путем механического замешивания со скоростью вращения 450 об/мин с помощью четырехлопастной титановой лопатки (Фиг. 1) и заливки расплава в матрицу с последующей кристаллизацией под давлением 50-200 МПа. Четырехлопастная титановая лопатка имеет следующие характеристики: две пары лопастей толщиной 2 мм, шириной 25 мм и длиной 70 мм расположены на прутке диаметром 10 мм на расстоянии 30 мм друг от друга. Оси лопастей расположены под углом 90 градусов друг к другу и к оси прутка. Каждая лопасть имеет загиб под углом 30 градусов.
Описание чертежей
Фиг. 1 - Внешний вид сконструированной четырехлопастной титановой лопатки.
Фиг. 2 - Микроструктура композиционного материала Al-5%Cu-2%В4С.
Фиг. 3 - Рентгенограмма композиционного материала Al-5%Cu-2%В4С.
Фиг. 4 - Микроструктура композиционного материала Al-5%Cu-5%В4С.
Фиг. 5 - Рентгенограмма композиционного материала Al-5%Cu-5%В4С.
Фиг. 6 - Микроструктура композиционного материала Al-5%Cu-7%В4С.
Фиг. 7 - Рентгенограмма композиционного материала Al-5%Cu-7%В4С.
Фиг. 8 - Пористость матрицы и композиционных материалов.
Фиг. 9 - Коэффициент термического расширения в интервале 20-200°С матрицы и композиционных материалов.
Фиг. 10 - Термокинетические кривые старения матрицы и композиционных материалов.
Осуществление изобретения.
Для решения поставленной задачи предлагается следующая технология: в расплав алюминия марки А85 при температуре 900°C вводится медь марки М0, после растворения меди предварительно подогретый до 250°C порошок карбида бора размера 1-20 мкм с помощью титановой трубки с воронкой вводят в расплав при его постоянном перемешивании четырехлопастной титановой лопаткой, затем расплав заливают в цилиндрическую стальную изложницу, разогретую до 250°C, и проводят прессование расплава давлением в 50-200 МПа. Температура расплава 900°C выбрана, поскольку, начиная примерно с этой температуры, существенно повышается смачиваемость частиц расплавом, а при более высоких происходит сильное окисление и газонасыщение. Подогрев частиц до температур более 250°C приводил к частичному спеканию порошка, что существенно затрудняло его ведение. Скорость вращения четырехлопастной титановой лопатки подбиралась эмпирически из двух соображений: во-первых, для введения частиц необходимо было создать воронку в расплаве, во-вторых, при очень высоких скоростях происходило сильное газонасыщение расплава. Оптимально подобранная скорость составила примерно 450 об/мин.
Исследование структуры сплавов проводят с использованием растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Оценку механических свойств проводили по результатам измерения твердости методом Виккерса (HV). Определение пористости осуществляли по отклонению теоретической плотности от экспериментальной методом гидростатического взвешивания. Средний линейный коэффициент термического расширения (КТР) определяли с использованием дилатометра Linseis L75 в температурном интервале 20-200°C.
Пример 1
КМ состава Al-5% Cu-2% B4C был получен следующим образом.
Для приготовления КМ использовались чистые металлы: алюминий и медь и частицы карбида бора размером 1-20 мкм. Плавку вели в графито-шамотных тиглях в печи сопротивления фирмы «Nabertherm». Разливку осуществляли при температуре 900°C в цилиндрическую стальную форму с диаметром 50 мм и под давлением в 100 МПа проводили прессование расплава.
После получения слитка образец исследовали методом рентгеноструктурного анализа и на растровом электронном микроскопе. На Фиг. 2 представлена микроструктура, а на Фиг. 3 рентгенограмма полученного образца. Как видно, структура представлена неравновесными включениями фазы Al2Cu, а частицы B4C однородно распределены в матрице (Фиг. 2). Кристаллизация под давлением приводит к повышению смачиваемости частиц расплавом, в результате чего на межфазной границе частица/матрица образуются фазы AlB2 и Al3BC (Фиг. 3). Пористость КМ Al-5% Cu-2% B4C незначительно повышается с 0,75 до 1,2% (Фиг. 8) (на Фиг. 8 (М) - сокращенное наименование матрицы Al-5% Cu), коэффициент термического расширения в интервале 20-200°C уменьшается на 0,9⋅10-6 °C-1 (Фиг. 9) (на Фиг. 9 (М) - сокращенное наименование матрицы Al-5% Cu), максимальная твердость в состаренном при 200°C выше на 6 HV (Фиг. 10) в сравнении с матричным сплавом.
Пример 2
КМ состава Al-5% Cu-5% B4C был получен следующим образом.
Для приготовления КМ использовались чистые металлы: алюминий и медь и частицы карбида бора размером 1-20 мкм. Плавку вели в графито-шамотных тиглях в печи сопротивления фирмы «Nabertherm». Разливку осуществляли при температуре 900°C в цилиндрическую стальную форму с диаметром 50 мм и под давлением в 130 МПа проводили прессование расплава.
После получения слитка образец исследовали методом рентгеноструктурного анализа и на растровом электронном микроскопе. На Фиг. 4 представлена микроструктура, а на Фиг. 5 рентгенограмма полученного образца. Как видно, структура представлена неравновесными включениями фазы Al2Cu, а частицы B4C однородно распределены в матрице (Фиг. 4). Кристаллизация под давлением приводит к повышению смачиваемости частиц расплавом, в результате чего на межфазной границе частица/матрица образуются фазы AlB2 и Al3BC (Фиг. 5). Пористость КМ Al-5% Cu-5% B4C незначительно повышается с 0,75 до 0,9% (Фиг. 8), коэффициент термического расширения в интервале 20-200°C уменьшается на 1,9⋅10-6 °C-1 (Фиг. 9), максимальная твердость в состаренном при 200°C выше на 16 HV (Фиг. 10) в сравнении с матричным сплавом.
Пример 3.
КМ состава Al-5% Cu-7% B4C был получен следующим образом:
Для приготовления КМ использовались чистые металлы: алюминий и медь и частицы карбида бора размером 1-20 мкм. Плавку вели в графито-шамотных тиглях в печи сопротивления фирмы «Nabertherm». Разливку осуществляли при температуре 900°C в цилиндрическую стальную форму с диаметром 50 мм и под давлением в 90 МПа проводили прессование расплава.
После получения слитка образец исследовали методом рентгеноструктурного анализа и на растровом электронном микроскопе. На Фиг. 6 представлена микроструктура, а на Фиг. 7 рентгенограмма полученного образца. Как видно, структура представлена неравновесными включениями фазы Al2Cu, а частицы B4C однородно распределены в матрице (Фиг. 6). Кристаллизация под давлением приводит к повышению смачиваемости частиц расплавом, в результате чего на межфазной границе частица/матрица образуются фазы AlB2 и Al3BC (Фиг. 7). Пористость КМ Al-5% Cu-5% B4C практически не изменяется (Фиг. 8), коэффициент термического расширения в интервале 20-200°C уменьшается на 2,6⋅10-6 °C-1 (Фиг. 9), максимальная твердость в состаренном при 200°C выше на 19 HV (Фиг. 10) в сравнении с матричным сплавом.
Claims (3)
1. Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора В4С, отличающийся тем, что он содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас. %:
2. Способ получения композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного карбидом бора В4С, включающий плавление алюминия и меди технической чистоты в графито-шамотном тигле в электрической печи сопротивления, введение в расплав при температуре 850-950°С частиц В4С размером 1-20 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 50-200 МПа.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016119788A RU2639088C1 (ru) | 2016-05-23 | 2016-05-23 | Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора, и способ его получения |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016119788A RU2639088C1 (ru) | 2016-05-23 | 2016-05-23 | Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора, и способ его получения |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2639088C1 true RU2639088C1 (ru) | 2017-12-19 |
Family
ID=60718846
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016119788A RU2639088C1 (ru) | 2016-05-23 | 2016-05-23 | Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора, и способ его получения |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2639088C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2750658C1 (ru) * | 2020-12-16 | 2021-06-30 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» | Способ получения алюминиевого сплава, армированного карбидом бора |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101792876A (zh) * | 2010-03-26 | 2010-08-04 | 南京工业大学 | 一种不锈钢锅复合锅底用铝基复合材料及其制备方法 |
CN102925723A (zh) * | 2012-10-24 | 2013-02-13 | 河南理工大学 | 制备颗粒增强铝基复合材料的方法 |
RU2496902C1 (ru) * | 2012-08-31 | 2013-10-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Алюмоматричный композиционный материал с борсодержащим наполнителем |
RU2516679C1 (ru) * | 2013-02-26 | 2014-05-20 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" | Литой композиционный материал на основе алюминия и способ его получения |
CN104131196A (zh) * | 2014-07-21 | 2014-11-05 | 昆明理工大学 | 一种颗粒增强铝基复合材料的超声钟罩制备方法 |
-
2016
- 2016-05-23 RU RU2016119788A patent/RU2639088C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101792876A (zh) * | 2010-03-26 | 2010-08-04 | 南京工业大学 | 一种不锈钢锅复合锅底用铝基复合材料及其制备方法 |
RU2496902C1 (ru) * | 2012-08-31 | 2013-10-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Алюмоматричный композиционный материал с борсодержащим наполнителем |
CN102925723A (zh) * | 2012-10-24 | 2013-02-13 | 河南理工大学 | 制备颗粒增强铝基复合材料的方法 |
RU2516679C1 (ru) * | 2013-02-26 | 2014-05-20 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" | Литой композиционный материал на основе алюминия и способ его получения |
CN104131196A (zh) * | 2014-07-21 | 2014-11-05 | 昆明理工大学 | 一种颗粒增强铝基复合材料的超声钟罩制备方法 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2750658C1 (ru) * | 2020-12-16 | 2021-06-30 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» | Способ получения алюминиевого сплава, армированного карбидом бора |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Muralidharan et al. | Microstructure and mechanical behavior of AA2024 aluminum matrix composites reinforced with in situ synthesized ZrB2 particles | |
Emamy et al. | The microstructure, hardness and tensile properties of Al–15% Mg2Si in situ composite with yttrium addition | |
Chen et al. | Microstructure and properties of in situ Al/TiB 2 composite fabricated by in-melt reaction method | |
Almadhoni et al. | Review of effective parameters of stir casting process on metallurgical properties of ceramics particulate Al composites | |
CN112048629A (zh) | 铸造铝硅合金用Al-Ti-Nb-B细化剂的制备方法 | |
Al-Helal et al. | Simultaneous primary Si refinement and eutectic modification in hypereutectic Al–Si alloys | |
Gui et al. | Fabrication and characterization of cast magnesium matrix composites by vacuum stir casting process | |
Azarbarmas et al. | The effects of boron additions on the microstructure, hardness and tensile properties of in situ Al–15% Mg2Si composite | |
WO2014027184A1 (en) | Al-nb-b master alloy for grain refining | |
Salleh et al. | Influence of Cu content on microstructure and mechanical properties of thixoformed Al–Si–Cu–Mg alloys | |
Li et al. | Microstructure and mechanical properties of an AlN/Mg–Al composite synthesized by Al–AlN master alloy | |
Gui M.-C. et al. | Microstructure and mechanical properties of cast (Al–Si)/SiCp composites produced by liquid and semisolid double stirring process | |
Huang et al. | Scandium on the formation of in situ TiB2 particulates in an aluminum matrix | |
RU2639088C1 (ru) | Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора, и способ его получения | |
Indarsari et al. | Characteristics of Aluminium ADC 12/SiC Composite with the addition of TiB and Sr modifier | |
Deepak Kumar et al. | Solid fraction evolution characteristics of semi-solid A356 alloy and in-situ A356-TiB 2 composites investigated by differential thermal analysis | |
Dash et al. | Studies on synthesis of magnesium based metal matrix composites (MMCs) | |
Shen et al. | Effects of SiCp parameters on microstructures, interface structure and mechanical property of Mg bulk composites produced by ultrasonic vibration processing | |
Jing et al. | Application of Al-2La-1B grain refiner to Al-10Si-0.3 Mg casting alloy | |
Yan et al. | Effect of antimony on the microstructure evolution and mechanical properties of hypereutectic Al–Si rheological high pressure die casting alloy | |
Chandan et al. | Influence of zircon particles on the characterization of Al7050-Zircon composites | |
CN115652156A (zh) | 一种新型Mg-Gd-Li-Y-Al合金及其制备方法 | |
CN112662909B (zh) | 一种碳化物纳米颗粒改性的压铸铝合金及其制备方法 | |
Baghchesara et al. | Fractography of stir casted Al-ZrO2 composites | |
Mohamed et al. | Investigation of the microstructure and properties of Al–Si–Mg/SiC composite materials produced by solidification under pressure |