RU2649632C2 - Method of obtaining composite material aluminum-steel - Google Patents
Method of obtaining composite material aluminum-steel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2649632C2 RU2649632C2 RU2016119619A RU2016119619A RU2649632C2 RU 2649632 C2 RU2649632 C2 RU 2649632C2 RU 2016119619 A RU2016119619 A RU 2016119619A RU 2016119619 A RU2016119619 A RU 2016119619A RU 2649632 C2 RU2649632 C2 RU 2649632C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layers
- steel
- aluminum
- mesh
- composite material
- Prior art date
Links
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 46
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 46
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 50
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 238000005056 compaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 27
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 8
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 7
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 5
- VBICKXHEKHSIBG-UHFFFAOYSA-N 1-monostearoylglycerol Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC(=O)OCC(O)CO VBICKXHEKHSIBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- DCXXMTOCNZCJGO-UHFFFAOYSA-N Glycerol trioctadecanoate Natural products CCCCCCCCCCCCCCCCCC(=O)OCC(OC(=O)CCCCCCCCCCCCCCCCC)COC(=O)CCCCCCCCCCCCCCCCC DCXXMTOCNZCJGO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 239000003562 lightweight material Substances 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
- B22F7/02—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite layers
- B22F7/04—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite layers with one or more layers not made from powder, e.g. made from solid metal
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/02—Layer formed of wires, e.g. mesh
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии композиционных металлических материалов и может быть использовано для получения легких, ударопрочных изделий, а также элементов конструкций, эксплуатируемых в условиях воздействия знакопеременных нагрузок при нагреве до температуры 550-600°С.The invention relates to the technology of composite metallic materials and can be used to produce lightweight, impact-resistant products, as well as structural elements operated under conditions of alternating loads when heated to a temperature of 550-600 ° C.
К таким материалам предъявляется требование сочетания малой плотности (легкие материалы) с повышенной ударной вязкостью (KCU) и удельной эффективной работой разрушения (γF), в значительной степени определяющее рабочий ресурс изделий.Such materials are required to combine low density (lightweight materials) with increased impact strength (KCU) and specific effective fracture work (γ F ), which largely determines the working life of the products.
Известен способ получения композиционного материала алюминий - сталь [1], включающий намотку витков стальной проволоки с определенным шагом на алюминиевые (матричные) слои, укладку таких слоев в пакет и его прокатку с заданной степенью деформации.A known method of producing a composite material aluminum - steel [1], including winding coils of steel wire with a certain step on aluminum (matrix) layers, laying such layers in a bag and rolling it with a given degree of deformation.
Недостатками данного способа являются относительно невысокие показатели характеристик разрушения (KCU и γF), относительно высокая плотность, а также анизотропия механических свойств получаемого композита.The disadvantages of this method are the relatively low rates of fracture characteristics (KCU and γ F ), the relatively high density, as well as the anisotropy of the mechanical properties of the resulting composite.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения композиционного материала алюминий - сталь [2] (принятый за прототип), включающий формирование многослойной заготовки - пакета путем чередования алюминиевых слоев (в виде фольги толщиной 0,05-0,5 мм или листов толщиной более 0,5 мм до 1,5 мм) и стальных сеток «трикотажного» плетения из высокопрочной, нагартованной проволоки (Х18Н10Т; У8А или Х13Н13М2) толщиной 0,02-0,2 мм с размерами ячеек от 0,6-0,8 мм до 2 -2,5 мм.The closest to the claimed technical essence and the achieved effect is a method of producing a composite material aluminum - steel [2] (adopted as a prototype), which includes the formation of a multilayer billet - a package by alternating aluminum layers (in the form of foil with a thickness of 0.05-0.5 mm or sheets with a thickness of more than 0.5 mm to 1.5 mm) and steel nets of “knitted” weaving from high-strength, cured wire (X18N10T; U8A or X13N13M2) 0.02-0.2 mm thick with mesh sizes from 0.6- 0.8 mm to 2 -2.5 mm.
Многослойную заготовку уплотняли прессованием, располагая ее между двумя плоскопараллельными стальными плитами. Затем ее заворачивали в алюминиевую фольгу и помещали в герметичный вакуумный контейнер из гибкой листовой стали. В контейнере создавали разрежение и переносили его в печь, нагревая до заданной температуры (ниже температуры плавления алюминия: 500-600°С) с изотермической выдержкой 8-10 минут.The multilayer preform was compacted by pressing, positioning it between two plane-parallel steel plates. Then it was wrapped in aluminum foil and placed in a sealed vacuum container of flexible sheet steel. A vacuum was created in the container and transferred to the furnace, heating to a predetermined temperature (below the melting point of aluminum: 500-600 ° C) with an isothermal exposure of 8-10 minutes.
После этого нагретый контейнер с многослойной заготовкой в условиях разрежения перемещали под фрикционный молот установки динамического горячего прессования (ДТП) и наносили удар с фиксированной высоты.After that, a heated container with a multilayer workpiece under rarefaction conditions was moved under the friction hammer of a dynamic hot pressing (DTP) plant and a blow was struck from a fixed height.
В этом случае удается снизить степень анизотропии механических свойств за счет применения сеток в качестве армирующих элементов. Однако недостатками способа-прототипа остаются недостаточно высокие значения KCU и γF полученного композиционного материала, а также его относительно большая плотность. Кроме того, способ-прототип является трудоемким за счет необходимости реализации большого количества технологических операций, а также применения метода ДТП.In this case, it is possible to reduce the degree of anisotropy of the mechanical properties through the use of meshes as reinforcing elements. However, the disadvantages of the prototype method remain insufficiently high values of KCU and γ F of the obtained composite material, as well as its relatively high density. In addition, the prototype method is time-consuming due to the need to implement a large number of technological operations, as well as the application of the accident method.
Технической задачей данного изобретения является снижение плотности получаемого композиционного материала, увеличение показателей KCU и γF, а также упрощение способа его получения за счет уменьшения количества технологических операций и исключения использования ДТП.The technical task of this invention is to reduce the density of the obtained composite material, increase KCU and γ F , as well as simplify the method of its production by reducing the number of technological operations and eliminating the use of accidents.
Для выполнения поставленной задачи в способе получения композиционного материала алюминий - сталь, включающем формирование многослойной заготовки путем чередования алюминийсодержащих слоев и стальной сетки, уплотнение многослойной заготовки прессованием и ее термообработку, многослойную заготовку формируют путем чередования слоев, образованных из засыпки алюминиевого порошка с пластинчатой формой частиц и стальных сеток с размером ячеек 3-5 мм, сплетенных из троса диаметром 0,8-1,0 мм, при соотношении толщины слоев алюминиевого порошка и толщины стальной сетки от 2:1 до 3:1.To accomplish the task in a method for producing an aluminum-steel composite material, which includes forming a multilayer billet by alternating aluminum-containing layers and a steel mesh, compacting the multilayer billet by pressing and its heat treatment, a multilayer billet is formed by alternating layers formed from a bed of aluminum powder with a plate-like particle shape and steel grids with a mesh size of 3-5 mm, woven from a cable with a diameter of 0.8-1.0 mm, with a ratio of the thickness of the layers of aluminum powder and a steel mesh thickness of from 2: 1 to 3: 1.
Кроме того, уплотнение многослойной заготовки прессованием проводят под давлением 700-1000 МПа, а термообработку многослойной заготовки проводят на воздухе при температуре 550-600°С в течение 15-30 минут.In addition, the compaction of the multilayer preform by pressing is carried out under a pressure of 700-1000 MPa, and the heat treatment of the multilayer preform is carried out in air at a temperature of 550-600 ° C for 15-30 minutes.
Сущность способа получения композиционного материала алюминий - сталь поясняется графическими материалами, где изображено:The essence of the method of producing composite material aluminum - steel is illustrated in graphic materials, which depict:
на фиг. 1 - вид поверхности скола композиционного материала алюминий - сталь (размер квадратной ячейки тросовой сетки - 5 мм); поз.1 - матричные алюминиевые слои, поз.2 - сетка из стального троса, поз.3 - «перемычки - мостики» между соседними матричными слоями;in FIG. 1 is a view of the cleaved surface of a composite material aluminum - steel (the size of a square cell of a cable mesh is 5 mm); pos.1 - matrix aluminum layers, pos.2 - mesh of steel cable, pos.3 - "jumpers - bridges" between adjacent matrix layers;
на фиг. 2 - вид поверхности разрушения композиционного материала алюминий - сталь после статического нагружения (длина линии - метки 1,0 мм); поз. 4 - поверхность раздела алюминиевая матрица - стальной трос, поз. 5 - рельеф, образованный вследствие вытягивания стального троса из алюминиевой матрицы.in FIG. 2 - view of the fracture surface of the composite material aluminum - steel after static loading (line length - marks 1.0 mm); pos. 4 - section surface aluminum matrix - steel cable, pos. 5 is a relief formed by pulling a steel cable from an aluminum matrix.
на фиг.3 - вид поверхности разрушения слоистой алюминиевой матрицы (длина линии - метки - 30 мкм); поз. 6 - слоистый пакет из диффузионно-связанных пластинчатых частиц, поз. 7 - полости - области вырыва слоистых пакетов.figure 3 is a view of the fracture surface of a layered aluminum matrix (line length - labels - 30 microns); pos. 6 - layered package of diffusion-related lamellar particles, pos. 7 — cavities — regions of tearing out layered packets.
Для получения материала по заявленному способу в качестве исходного сырья использовали алюминиевый порошок марки ПАП-2 (ГОСТ-5494-95), состоящий из частиц пластинчатой формы (преобладающие размеры частиц: по длине 10-100 мкм, по ширине 5-50 мкм, по толщине 0,5-1,0 мкм). Частицы порошка как продукта промышленной поставки покрыты тонким слоем стеарина (3,0 мас.%), вводимым в качестве жировой добавки на этапе их измельчения в шаровой мельнице.To obtain the material according to the claimed method, aluminum powder of the PAP-2 grade (GOST-5494-95), consisting of lamellar particles (prevailing particle sizes: 10-100 μm in length, 5-50 μm in width, according to 0.5-1.0 μm thick). Particles of powder as a product of industrial supply are coated with a thin layer of stearin (3.0 wt.%), Introduced as a fat additive at the stage of their grinding in a ball mill.
Применение этого порошка для формирования алюминиевой матрицы композита объясняется возможностью придания ей слоистой структуры в результате укладки пластинчатых частиц по плоскостям при прессовании. Такая слоистая структура матрицы позволяла повысить ее трещиностойкость.The use of this powder to form the aluminum matrix of the composite is explained by the possibility of imparting a layered structure to it as a result of laying lamellar particles on planes during pressing. Such a layered structure of the matrix made it possible to increase its crack resistance.
Также был использован стальной трос из аустенитной стали (08Х17Н13М2) торговой марки А4 следующего химического состава (мас.%): С (≤0,08), Сr (16-18), Fe (66,345-74), Мn (≤2), Ni (10-14), Р (≤0,045), S (≤0,03), Сu (≤1), Мо (2-3). Тип скрутки троса - 1×19 (в одной скрутке использовано 19 проволок диаметром 0,16-0,20 мм, по диаметру троса укладывается 5 проволок, при этом его диаметр может составлять от 0,8 до 1,0 мм).A steel cable made of austenitic steel (08X17H13M2) of the A4 brand of the following chemical composition (wt.%) Was also used: C (≤0.08), Cr (16-18), Fe (66.345-74), Mn (≤2) , Ni (10-14), P (≤0.045), S (≤0.03), Cu (≤1), Mo (2-3). The twist type of the cable is 1 × 19 (in one twist, 19 wires with a diameter of 0.16-0.20 mm were used, 5 wires are laid along the cable diameter, while its diameter can be from 0.8 to 1.0 mm).
Применение данного троса в качестве армирующего элемента обусловлено его высокой прочностью, высоким показателем модуля нормальной упругости и окалиностойкостью. Благодаря сочетанию таких свойств он способен выполнять функцию арматуры, позволяющей обеспечивать для композита повышенные характеристики разрушения - KCU и γF.The use of this cable as a reinforcing element is due to its high strength, high modulus of normal elasticity and scale resistance. Due to the combination of such properties, it is able to fulfill the function of reinforcement, which allows providing for the composite increased fracture characteristics - KCU and γ F.
В заявленном способе изготавливали сетки из стального троса с размером квадратной ячейки (lя) от 3 до 5 мм. Снижение lя менее 3 мм не целесообразно, поскольку в этом случае существенно возрастало сопротивление продавливанию матричного алюминиевого порошка через ячейки при прессовании, что приводило к образованию «расслойных» трещин по торцам образца. Увеличение lя более 5 мм также не целесообразно, так как при этом значительно снижался эффект армирования алюминиевой матрицы тросом: имело место снижение параметров KCU и γF.In the inventive method, mesh was made of a steel cable with a square mesh size (l i ) from 3 to 5 mm. A decrease in l I less than 3 mm is not advisable, since in this case the resistance to forcing matrix aluminum powder through the cells during pressing significantly increased, which led to the formation of “delamination” cracks along the ends of the sample. An increase in l I over 5 mm is also not advisable, since the effect of reinforcing the aluminum matrix with a cable was significantly reduced: there was a decrease in the parameters KCU and γ F.
Уменьшение диаметра троса (dт) менее 0,8 мм также приводило к снижению показателей KCU и γF, а увеличение dт более 1,0 мм давало значительное приращение плотности материала за счет увеличения его массы.A decrease in cable diameter (d t ) of less than 0.8 mm also led to a decrease in KCU and γ F , while an increase in d t of more than 1.0 mm gave a significant increase in the density of the material due to an increase in its mass.
Отношение толщины слоев алюминиевого порошка (δA1) к толщине стальной сетки (δС) менее 2:1 приводило к «перехлестам» сеток в соседних слоях из-за малой толщины прослойки матричного порошка. Увеличение δA1/δС более 3:1 не целесообразно вследствие падения показателей KCU и γF.The ratio of the thickness of the layers of aluminum powder (δ A1 ) to the thickness of the steel mesh (δ C ) less than 2: 1 led to “overlaps” of the grids in the adjacent layers due to the small thickness of the matrix powder layer. An increase in δ A1 / δ C of more than 3: 1 is not advisable due to a drop in KCU and γ F.
Снижение давления прессования многослойной заготовки (Р) менее 700 МПа уменьшало достигаемые значения параметров KCU и γF. Увеличение Р более 1000 МПа приводило к деформации троса и возникновению «перепрессовочных» трещин в алюминиевой матрице.A decrease in the pressing pressure of the multilayer preform (P) of less than 700 MPa reduced the attainable values of the parameters KCU and γ F. An increase in P of more than 1000 MPa led to the deformation of the cable and the occurrence of “re-pressing” cracks in the aluminum matrix.
Уменьшение температуры (Т) и времени (т) термообработки многослойной заготовки на воздухе менее 550°С и 15 мин соответственно не позволяло достигать требуемых высоких значений параметров KCU и γF. Увеличение Тит более 600°С и 30 мин - соответственно не целесообразно, так как при этом наблюдается окисление алюминиевой матрицы композита и ее разупрочнение вследствие накопления алюмооксидной фазы, образующейся с увеличением объема.A decrease in temperature (T) and time (t) for heat treatment of the multilayer billet in air below 550 ° C and 15 min, respectively, did not allow achieving the required high values of the parameters KCU and γ F. An increase in Tit of more than 600 ° C and 30 minutes, respectively, is not advisable, since the oxidation of the aluminum matrix of the composite and its softening due to the accumulation of the alumina phase formed with increasing volume are observed.
Примеры реализации заявленного способаExamples of the implementation of the claimed method
Пример 1. Для подготовки матричного компонента композиционного материала алюминиевый порошок промышленной марки ПАП-2 загружали в алюминиевую емкость с крышкой и нагревали на воздухе (со средней скоростью 50°С/час) до температуры 350°С с последующей изотермической выдержкой, необходимой для выжигания стеарина с поверхности пластинчатых частиц и его замены пассивирующей алюмооксидной пленкой (500 г ПАП-2 выдерживали в течение 3 часов). Затем полученный порошок гранулировали путем его увлажнения (из расчета: добавка 10 см3 воды к 10 г порошка), последующей протирки через сито влажного порошка и его сушки до нулевой влажности.Example 1. To prepare the matrix component of the composite material, aluminum powder of the industrial grade PAP-2 was loaded into an aluminum container with a lid and heated in air (at an average speed of 50 ° C / h) to a temperature of 350 ° C followed by isothermal exposure necessary for burning stearin from the surface of lamellar particles and its replacement with a passivating alumina film (500 g of PAP-2 was held for 3 hours). Then, the obtained powder was granulated by wetting it (based on the addition of 10 cm 3 of water to 10 g of powder), then rubbing the wet powder through a sieve and drying it to zero moisture.
Армирующий компонент композиционного материала получали плетением сетки с размером ячейки (lя) 3 мм из стального троса диаметром (dт) 0,8 мм (аустенитная сталь - 08Х17Н13М2, тип скрутки - 1×19, по диаметру троса укладывается 5 проволок диаметром 0,16 мм). Для плетения использовали специальное устройство.The reinforcing component of the composite material was obtained by weaving a mesh with a mesh size (l I ) of 3 mm from a steel cable with a diameter (d t ) of 0.8 mm (austenitic steel - 08X17H13M2, twisting type - 1 × 19, 5 wires with a diameter of 0 are laid along the cable diameter, 16 mm). For weaving used a special device.
Для формирования многослойной заготовки в гнездо стальной пресс-формы (85×100 мм) засыпали 20,5 г матричного алюминиевого порошка и разравнивали его в виде равномерного по толщине слоя. На поверхность этого слоя укладывали сетку, сплетенную из троса. Затем вновь производили засыпку матричного алюминиевого порошка указанной фиксированной навески, обеспечивающей соотношение толщины слоя порошка и толщины сетки (δА1/δс) как 2:1.To form a multilayer billet, 20.5 g of matrix aluminum powder was poured into a socket of a steel mold (85 × 100 mm) and leveled in the form of a layer uniform in thickness. A mesh woven from a cable was laid on the surface of this layer. Then, matrix matrix aluminum powder was again filled with the indicated fixed sample, which ensured the ratio of the powder layer thickness and the mesh thickness (δ A1 / δ s ) as 2: 1.
Таким образом, последовательно чередуя слои алюминиевого порошка и стальной тросовой сетки, получали многослойную заготовку (всего - 5 сеток и 6 слоев алюминиевого порошка, внешние слои выполнены из алюминиевого порошка).Thus, sequentially alternating layers of aluminum powder and steel wire mesh, a multilayer billet was obtained (a total of 5 nets and 6 layers of aluminum powder, the outer layers are made of aluminum powder).
Далее многослойную заготовку уплотняли прессованием, прикладывая давление (Р) - 700 МПа.Next, the multilayer preform was compacted by compression, applying pressure (P) - 700 MPa.
Термообработку многослойной заготовки проводили на воздухе по следующему режиму: нагрев до температуры (Т) - 600°С за 0,5 часа с последующей изотермической выдержкой (τ), равной 15 минутам.The heat treatment of the multilayer preform was carried out in air according to the following regime: heating to a temperature (T) of 600 ° C in 0.5 hours, followed by isothermal exposure (τ) of 15 minutes.
В результате термообработки получали спеченный образец в виде пластины с плотностью 2,85 г/см3 при объемной доле армирующего компонента - 20%. Из данной пластины вырезали призматические образцы для изучения характеристик разрушения материала (KCU и γF).As a result of heat treatment, a sintered sample was obtained in the form of a plate with a density of 2.85 g / cm 3 with a volume fraction of the reinforcing component of 20%. Prismatic samples were cut from this plate to study the fracture characteristics of the material (KCU and γ F ).
Пример 2. Вид и последовательность технологических операций совпадают с приведенными в примере 1.Example 2. The type and sequence of technological operations coincide with those in example 1.
Армирующий компонент материала получали плетением сетки из стального троса: аустенитная сталь - 08Х17Н13М2, lя=4 мм, dт=0,9 мм, тип скрутки - 1×19, по диаметру троса укладывается 5 проволок диаметром 0,18 мм.The reinforcing component of the material was obtained by weaving a mesh of steel cable: austenitic steel - 08X17H13M2, l i = 4 mm, d t = 0.9 mm, twist type - 1 × 19, 5 wires with a diameter of 0.18 mm are laid along the cable diameter.
Для формирования многослойной заготовки в гнездо стальной пресс-формы (8×100 мм) засыпали 28,7 г матричного алюминиевого порошка и разравнивали его в виде равномерного по толщине слоя.To form a multilayer billet, 28.7 g of matrix aluminum powder was poured into a socket of a steel mold (8 × 100 mm) and leveled in the form of a layer uniform in thickness.
Далее, последовательно чередуя слои алюминиевого порошка и стальной тросовой сетки, получали многослойную заготовку (всего - 5 сеток и 6 слоев алюминиевого порошка, внешние слои выполнены из алюминиевого порошка, δA1/δс=2,5:1).Further, sequentially alternating layers of aluminum powder and steel wire mesh, a multilayer billet was obtained (a total of 5 nets and 6 layers of aluminum powder, the outer layers are made of aluminum powder, δ A1 / δ s = 2.5: 1).
Многослойную заготовку уплотняли прессованием (Р=850 МПа), и термообрабатывали на воздухе (Т=570°С, τ=45 минут).The multilayer preform was compacted by pressing (P = 850 MPa), and heat treated in air (T = 570 ° C, τ = 45 minutes).
В результате термообработки получали спеченный образец в виде пластины с плотностью 2,75 г/см3 при объемной доле армирующего компонента - 18%. Из нее вырезали призматические образцы для определения параметров KCU и γF.As a result of heat treatment, a sintered sample was obtained in the form of a plate with a density of 2.75 g / cm 3 with a volume fraction of the reinforcing component of 18%. Prismatic samples were cut from it to determine the parameters KCU and γ F.
Пример 3. Вид и последовательность технологических операций совпадают с приведенными в примерах 1 и 2.Example 3. The type and sequence of technological operations coincide with those in examples 1 and 2.
Армирующий компонент материала получали плетением сетки из стального троса: аустенитная сталь - 08Х17Н13М2, lя=5 мм, dт=1,0 мм, тип скрутки - 1×19, по диаметру троса укладывается 5 проволок диаметром 0,2 мм.The reinforcing component of the material was obtained by weaving a mesh of steel cable: austenitic steel - 08X17H13M2, l i = 5 mm, d t = 1.0 mm, twist type - 1 × 19, 5 wires with a diameter of 0.2 mm are laid along the cable diameter.
Для формирования многослойной заготовки в гнездо стальной пресс-формы (85×100 мм) засыпали 38 г матричного алюминиевого порошка и разравнивали его в виде равномерного по толщине слоя.To form a multilayer workpiece, 38 g of matrix aluminum powder was poured into a socket of a steel mold (85 × 100 mm) and leveled in the form of a layer uniform in thickness.
Далее, последовательно чередуя слои алюминиевого порошка и стальной тросовой сетки, получали многослойную заготовку (всего - 5 сеток и 6 слоев алюминиевого порошка, внешние слои выполнены из алюминиевого порошка, δA1/δс=3:1).Further, sequentially alternating layers of aluminum powder and steel wire mesh, a multilayer billet was obtained (a total of 5 nets and 6 layers of aluminum powder, the outer layers are made of aluminum powder, δ A1 / δ s = 3: 1).
Многослойную заготовку уплотняли прессованием (Р=1000 МПа) и термообрабатывали на воздухе (Т=550°С, τ=30 минут).The multilayer preform was compacted by pressing (P = 1000 MPa) and heat treated in air (T = 550 ° C, τ = 30 minutes).
В результате термообработки получали спеченный образец в виде пластины с плотностью 2,60 г/см3 при объемной доле армирующего компонента - 15%. Из нее вырезали призматические образцы для определения параметров KCU и γF.As a result of heat treatment, a sintered sample was obtained in the form of a plate with a density of 2.60 g / cm 3 with a volume fraction of the reinforcing component of 15%. Prismatic samples were cut from it to determine the parameters KCU and γ F.
Решение технической задачи данного изобретения - снижение плотности композита - достигается за счет формирования в его составе легкой и трещиностойкой слоистой порошковой матрицы (тогда как по способу-прототипу матрица формируется из плотных фольги и листов, полученных прокаткой, кроме того, метод ДТП обеспечивает значительное уплотнение материала).The solution to the technical problem of this invention — reducing the density of the composite — is achieved by forming a light and crack-resistant layered powder matrix in its composition (whereas by the prototype method, the matrix is formed from dense foils and sheets obtained by rolling, in addition, the accident method provides significant material compaction )
Повышенные значения параметров KCU и γF заявленного композита обеспечиваются за счет его эффективного армирования тросовой сеткой и вследствие высокого сопротивления разрушению слоистой алюминиевой матрицы. Так, например, для его разрушения в результате приложения ударной нагрузки (фиг. 1) требуются высокие затраты энергии на разрушение скрутки проволок в составе тросовой сетки (поз. 2), расположенной между матричными алюминиевыми слоями (поз. 1), а также на разрушение путем среза «перемычек-мостиков» (поз. 3), соединяющих соседние матричные слои.Increased values of the parameters KCU and γ F of the claimed composite are provided due to its effective reinforcement with a wire mesh and due to the high resistance to destruction of the layered aluminum matrix. So, for example, for its destruction as a result of the application of an impact load (Fig. 1), high energy costs are required for the destruction of the twist of wires in the cable network (pos. 2) located between the matrix aluminum layers (pos. 1), as well as for the destruction by cutting off "bridge jumpers" (pos. 3) connecting adjacent matrix layers.
Кроме того, в случае как статического, так и ударного нагружения композита (фиг. 2), имеют место значительные энергозатраты на преодоление сил трения по поверхности раздела «матрица - трос» (поз. 4) при вытягивании из матрицы участков троса с образованием ярковыраженного рельефа его поверхности (поз. 5).In addition, in the case of both static and shock loading of the composite (Fig. 2), there is significant energy consumption for overcoming the friction forces along the “matrix-cable” interface (item 4) when pulling sections of the cable from the matrix with the formation of a pronounced relief its surface (item 5).
При механических испытаниях повышенное сопротивление разрушению слоистой алюминиевой матрицы (фиг. 3) обеспечивается значительной энергоемкостью процесса «вырыва» слоистых пакетов (поз. 6), состоящих из диффузионно-связанных пластинчатых частиц, с образованием полостей (поз. 7).During mechanical tests, the increased fracture resistance of the layered aluminum matrix (Fig. 3) is ensured by the significant energy consumption of the process of “tearing out” of layered packets (pos. 6), consisting of diffusion-bonded plate particles, with the formation of cavities (pos. 7).
При нагружении материала, полученного по способу-прототипу, не наблюдается проявления указанных выше механизмов, позволяющих дополнительно увеличивать сопротивление разрушению. Его механические свойства определяются количеством и прочностью контактов по поверхности сопряжения стальной сетки и алюминиевого листа, возникающих вследствие диффузионной сварки при ДТП.When loading the material obtained by the prototype method, there is no manifestation of the above mechanisms, which can further increase the fracture resistance. Its mechanical properties are determined by the number and strength of contacts along the mating surface of the steel mesh and aluminum sheet that arise as a result of diffusion welding during an accident.
Упрощение заявленного способа (по сравнению с прототипом) достигается за счет уменьшения количества технологических операций и исключения необходимости применения ДТП.The simplification of the claimed method (compared with the prototype) is achieved by reducing the number of technological operations and eliminating the need for the use of accidents.
По способу-прототипу реализуются следующие технологические операции: 1) формирование многослойной заготовки путем чередования алюминиевых слоев (фольги или листов) и стальной сетки, 2) уплотнение многослойной заготовки прессованием, 3) помещение ее в герметичный контейнер и создание в нем разрежения путем откачки воздуха, 4) нагрев контейнера, содержащего многослойную заготовку при разрежении, до температуры 500-600°С с последующей заданной изотермической выдержкой, 5) проведение ДТП, 6) извлечение полученного композита из контейнера.According to the prototype method, the following technological operations are carried out: 1) forming a multilayer workpiece by alternating aluminum layers (foil or sheets) and a steel mesh, 2) compacting the multilayer workpiece by pressing, 3) placing it in a sealed container and creating a vacuum in it by pumping air, 4) heating the container containing the multilayer workpiece during rarefaction to a temperature of 500-600 ° C with a subsequent predetermined isothermal exposure, 5) carrying out an accident, 6) removing the resulting composite from the container.
В соответствии с заявленным способом выполняются следующие технологические операции: 1) формирование многослойной заготовки путем чередования слоев, образованных из засыпки алюминиевого порошка с пластинчатой формой частиц и стальных сеток, сплетенных из троса, 2) уплотнение многослойной заготовки прессованием, 3) термообработка многослойной заготовки на воздухе при температуре 550-600°С.In accordance with the claimed method, the following technological operations are performed: 1) the formation of a multilayer workpiece by alternating layers formed from backfill of aluminum powder with a plate-like particle shape and steel grids woven from a cable, 2) compaction of the multilayer workpiece by pressing, 3) heat treatment of the multilayer workpiece in air at a temperature of 550-600 ° C.
В таблице представлены данные по физико-механическим свойствам материала, полученного по заявленному способу в сравнении с материалом, изготовленным по способу-прототипу.The table presents data on the physico-mechanical properties of the material obtained by the claimed method in comparison with the material manufactured by the prototype method.
Для корректного сравнения изготавливали материал по способу-прототипу, используя для плетения сетки высокопрочную стальную проволоку (Х13Н13М2) диаметром 0,2 мм с размером ячеек 2,5 мм, объемная доля армирующих сеток составляла 15-20% (как в заявленном способе), В качестве матричных слоев применяли фольги и листы сплава АМг6 толщиной 0,1-0,5 мм, удельная работа ДТП - 0,8 Дж/г.For a correct comparison, the material was made according to the prototype method, using high-strength steel wire (X13H13M2) with a diameter of 0.2 mm and a mesh size of 2.5 mm for mesh weaving, the volume fraction of reinforcing meshes was 15-20% (as in the claimed method), V As the matrix layers, foils and sheets of AMg6 alloy with a thickness of 0.1-0.5 mm were used, the specific work of the accident was 0.8 J / g.
Плотность композита рассчитывали по формуле: ρ=m/V (m и V - масса и объем образца соответственно).The density of the composite was calculated by the formula: ρ = m / V (m and V are the mass and volume of the sample, respectively).
Ударную вязкость по параметру KCU определяли в соответствии с ГОСТ 9454-78.Impact strength according to the parameter KCU was determined in accordance with GOST 9454-78.
Для определения удельной эффективной работы разрушения (γF) регистрировали диаграммы деформирования в координатах «нагрузка (Р) - прогиб (δ)» при изгибе сосредоточенной нагрузкой надрезанных на половину высоты призматических образцов - 10×12×55, мм (радиус кривизны вершины надреза - 50 мкм, скорость нагружения - 1 мм/мин) [1]. Удельную эффективную работу разрушения рассчитывали по формуле:To determine the specific effective work of fracture (γ F ), strain diagrams were recorded in the coordinates “load (P) - deflection (δ)" during bending by a concentrated load of prismatic samples cut into half the height - 10 × 12 × 55, mm (radius of curvature of the notch tip - 50 μm, the loading speed is 1 mm / min) [1]. The specific effective work of destruction was calculated by the formula:
γF=U/2S, где U - работа разрушения, оцениваемая по площади графика Р - δ, S - поверхность разрушения.γ F = U / 2S, where U is the work of destruction, estimated by the area of the graph P - δ, S is the surface of destruction.
Таким образом, выполнена техническая задача изобретения: по сравнению с прототипом достигнуто упрощение способа получения композиционного материала алюминий - сталь за счет уменьшения количества технологических операций; также имеет место (см. таблицу) снижение его плотности при увеличении удельной эффективной работы разрушения и ударной вязкости не менее, чем на порядок.Thus, the technical task of the invention was achieved: in comparison with the prototype, a simplification of the method for producing aluminum-steel composite material was achieved by reducing the number of technological operations; there also takes place (see table) a decrease in its density with an increase in the specific effective work of fracture and impact strength not less than by an order of magnitude.
Источники информацииInformation sources
1. Иванов Д.А., Ситников А.И., Шляпин С.Д. Дисперсноупрочненные, волокнистые и слоистые неорганические композиционные материалы / учебное пособие. - М.: МГИУ, 2010, 230 с.1. Ivanov D.A., Sitnikov A.I., Shlyapin S.D. Dispersion-strengthened, fibrous and layered inorganic composite materials / study guide. - M.: MGIU, 2010, 230 p.
2. Карпинос Д.М., Максимович Г.Г., Кадыров В.Х., Лютый Е.М. Прочность композиционных материалов. Киев: Наукова Думка, 1978, 236 с. (прототип).2. Karpinos DM, Maksimovich GG, Kadyrov V.Kh., Lyuty EM The strength of composite materials. Kiev: Naukova Dumka, 1978, 236 p. (prototype).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016119619A RU2649632C2 (en) | 2016-05-23 | 2016-05-23 | Method of obtaining composite material aluminum-steel |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016119619A RU2649632C2 (en) | 2016-05-23 | 2016-05-23 | Method of obtaining composite material aluminum-steel |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016119619A RU2016119619A (en) | 2017-11-28 |
RU2649632C2 true RU2649632C2 (en) | 2018-04-04 |
Family
ID=60580624
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016119619A RU2649632C2 (en) | 2016-05-23 | 2016-05-23 | Method of obtaining composite material aluminum-steel |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2649632C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2794971C1 (en) * | 2022-11-18 | 2023-04-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Method for producing aluminum-steel composite material |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU526485A1 (en) * | 1974-12-17 | 1976-08-30 | Предприятие П/Я Р-6585 | The method of obtaining a composite material |
SU1766707A1 (en) * | 1989-04-07 | 1992-10-07 | Институт органической химии Уральского отделения АН СССР | Composite material |
RU2277998C1 (en) * | 2004-10-21 | 2006-06-20 | Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук (БИП СО РАН) | Process for producing bimetallic material |
RU2383440C2 (en) * | 2004-01-19 | 2010-03-10 | Еласо Пти Лимитед | Elastic metal composite material, reinforced with fibres, having lamellar structure and having high impact resistance |
US20100310823A1 (en) * | 2007-10-03 | 2010-12-09 | Acell Group Limited | Composite products |
-
2016
- 2016-05-23 RU RU2016119619A patent/RU2649632C2/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU526485A1 (en) * | 1974-12-17 | 1976-08-30 | Предприятие П/Я Р-6585 | The method of obtaining a composite material |
SU1766707A1 (en) * | 1989-04-07 | 1992-10-07 | Институт органической химии Уральского отделения АН СССР | Composite material |
RU2383440C2 (en) * | 2004-01-19 | 2010-03-10 | Еласо Пти Лимитед | Elastic metal composite material, reinforced with fibres, having lamellar structure and having high impact resistance |
RU2277998C1 (en) * | 2004-10-21 | 2006-06-20 | Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук (БИП СО РАН) | Process for producing bimetallic material |
US20100310823A1 (en) * | 2007-10-03 | 2010-12-09 | Acell Group Limited | Composite products |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
КАРПИНОС Д.М. и др. Прочность композиционных материалов, Киев, Наукова Думка, 1978, с.236. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2794971C1 (en) * | 2022-11-18 | 2023-04-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Method for producing aluminum-steel composite material |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016119619A (en) | 2017-11-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Movahedi et al. | Functionally graded metal syntactic foam: Fabrication and mechanical properties | |
Lapovok | The role of back-pressure in equal channel angular extrusion | |
Chaudhari et al. | Titanium aluminide sheets made using roll bonding and reaction annealing | |
Mizuuchi et al. | Processing of TiNi SMA fiber reinforced AZ31 Mg alloy matrix composite by pulsed current hot pressing | |
Serjouei et al. | On improving ballistic limit of bi-layer ceramic–metal armor | |
CN105013821B (en) | Nanoscale twins mutually strengthen the accumulation ply rolling preparation method of TiNi based alloy composite boards | |
Wu et al. | Unraveling cyclic deformation mechanisms of a rolled magnesium alloy using in situ neutron diffraction | |
Luo et al. | Interfacial microstructure and properties of a vacuum hot roll-bonded titanium-stainless steel clad plate with a niobium interlayer | |
Qiu et al. | In-situ shelling via selective laser melting: Modelling and microstructural characterisation | |
CN106424741B (en) | SiC particulate enhances intermetallic compound base laminar composite Ti/Al3The preparation method of Ti | |
Zhou et al. | Compressive properties of porous metal fiber sintered sheet produced by solid-state sintering process | |
Takizawa et al. | Incremental feeding high-pressure sliding for grain refinement of large-scale sheets: application to Inconel 718 | |
Kemény et al. | The influence of infiltration casting technique on properties of metal syntactic foams and their foam-filled tube structures | |
Semenova et al. | Nanostructured titanium alloys: New developments and application prospects | |
CN107385245A (en) | Manufacture method based on oil-gas mining with soluble alloy pressure break ball | |
Jain et al. | Effect of compressive strain rate on the deformation behaviour of austenitic stainless steel foam produced by space holder technique | |
RU2649632C2 (en) | Method of obtaining composite material aluminum-steel | |
JP2010265505A (en) | Oxide-dispersion-type reinforced platinum material and method for producing the same | |
Peter et al. | Near net shape manufacturing of new, low cost titanium powders for industry | |
Nejad Fard et al. | Accumulative roll bonding of aluminum/stainless steel sheets | |
Hu et al. | Preparation and anisotropic compressive deformation behaviors of tungsten fiber reinforced Cu-Zn matrix composite | |
Hajizamani et al. | Modification of microstructure and mechanical properties of Al–Zn–Mg/3 wt.% Al2O3 composite through semi-solid thermomechanical processing using variable loads | |
Shao et al. | Microstructure and finite element analysis of hot continuous rolling of doped tungsten rod | |
Ma et al. | Tailored pore canal characteristics and compressive deformation behavior of bionic porous NiTi shape memory alloy prepared by selective laser melting | |
Li et al. | Mechanical responses and dynamic failure of nanostructure Cu–Al alloys under uniaxial compression |