RU2700342C1

RU2700342C1 - Composition of composite material based on aluminum alloy

Info

Publication number: RU2700342C1
Application number: RU2019108622A
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Чернышов; Алексей Дмитриевич Романов; Елена Анатольевна Романова; Иван Дмитриевич Романов
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2019-09-16

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, particularly to composite materials based on aluminum alloy, which are subject to industrial requirements for high strength, heat resistance, and resistance to abrasive wear and formation of cracks. Composite material based on aluminum alloy contains aluminum oxide with particle size of at least 30 mcm, as well as silicon, manganese, nickel, copper, magnesium, zinc, with the following content of components, wt%: aluminum 66.0–75.8, aluminum oxide 13–20, silicon 9.6–10.4, copper 0.7–1.2, manganese up to 0.2, nickel up to 1, magnesium 0.2–1, zinc up to 0.2.EFFECT: proposed composition of composite material based on aluminum alloy has high mechanical and service properties on the entire section of the product in combination with low cost.1 cl, 2 ex

Description

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к композиционным материалам на основе алюминиевого сплава, к которым предъявляются промышленные требования по повышенной прочности, жаропрочности, а также стойкости против абразивного износа и образования различных трещин.The present invention relates to the field of metallurgy, in particular to composite materials based on aluminum alloy, which are subject to industrial requirements for increased strength, heat resistance, as well as resistance to abrasion and the formation of various cracks.

Известен состав алюминиевого сплава АК21М2,5Н2,5 (ГОСТ 1583-93 Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия). Применяется для производства поршней дизельных двигателей, к которым предъявляются повышенные требования по жаропрочности и линейному расширению.The known composition of the aluminum alloy AK21M2.5N2.5 (GOST 1583-93 Cast aluminum alloys. Technical conditions). It is used for the production of pistons of diesel engines, which are subject to increased requirements for heat resistance and linear expansion.

Однако детали, полученные на его основе не обладают высокой стойкостью против абразивного износа.However, the parts obtained on its basis do not have high resistance to abrasion.

Известен патент на изобретение «Способ получения легированного порошка на основе алюминия» (RU 2113941, опубл. 09.07.1997). Согласно известному способу получают легированный порошок на основе алюминия с содержанием карбида кремния до 30%. Из легированного порошка получают материал, характеризующийся микротвердостью металлической матрицы в интервале 2300-3000 Мпа, увеличенным средним размером частиц и обладающим улучшенной свариваемостью.A patent for the invention is known “A method for producing an alloyed powder based on aluminum” (RU 2113941, publ. 09.07.1997). According to the known method receive a doped powder based on aluminum with a silicon carbide content of up to 30%. From the doped powder, a material is obtained that is characterized by the microhardness of the metal matrix in the range of 2300-3000 MPa, an increased average particle size and with improved weldability.

Однако данный сплав является дорогостоящим из-за входящего в состав карбид кремния.However, this alloy is expensive due to silicon carbide.

Известен патент РФ №2659514 (приоритет 17.08.2017) «ЛИТЕЙНЫЙ АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫЙ СПЛАВ» данное изобретение относится к области металлургии, конкретно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении фасонных отливок различными методами литья, в частности дисков автомобильных колес методом литья под низким давлением. Литейный алюминиево-кремниевый сплав содержит, мас. %: кремний 10,5-11,5, стронций 0,02-0,08, магний 0,05-0,15, марганец 0,3-0,5, железо 0,3-0,5, алюминий и примеси - остальное, и имеет структуру, состоящую из первичных кристаллов алюминиевого твердого раствора и модифицированной алюминиево-кремниевой эвтектики, в состав которой входит стронцийсодержащая фаза, при этом не менее 90% всего количества железа входит в состав алюминиево-кремниевой эвтектики в виде фазы Al15(Fe,Mn)3Si2.Known RF patent No. 2659514 (priority August 17, 2017) "CASTING ALUMINUM-SILICON ALLOY" This invention relates to the field of metallurgy, specifically to aluminum-based alloys, and can be used to produce shaped castings by various casting methods, in particular, automobile wheel disks by low pressure casting. Foundry aluminum-silicon alloy contains, by weight. %: silicon 10.5-11.5, strontium 0.02-0.08, magnesium 0.05-0.15, manganese 0.3-0.5, iron 0.3-0.5, aluminum and impurities - the rest, and has a structure consisting of primary crystals of aluminum solid solution and a modified aluminum-silicon eutectic, which includes a strontium-containing phase, while at least 90% of the total amount of iron is included in the aluminum-silicon eutectic in the form of an Al15 (Fe , Mn) 3Si2.

Однако детали, полученные на его основе не обладают высокой стойкостью против * абразивного износа.However, the parts obtained on its basis do not possess high resistance against * abrasive wear.

Известен патент РФ №2171307 (приоритет 22.02.2000) «КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ АНТИФРИКЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ ОГРАНИЧЕННОЙ СМАЗКИ». Данное изобретение относится к созданию антифрикционных материалов для машиностроения, работающих в тяжелонагруженных узлах трения скольжения в условиях ограниченной смазки. Предлагается литой композиционный материал на основе промышленных литейных алюминиевых сплавов (типа силуминов), содержащий дискретные наполнители двух видов: высокотвердые, высокомодульные керамические частицы карбидов, нитридов, оксидов с размером не более 20 мкм и частицы графита фракционного состава 40-160 мкм, объемная доля керамического наполнителя от 2,5 до 5,0 об. %. При этом обеспечивается снижение коэффициента трения в условиях сухого трения, высокое сопротивление износу, несущая способность. Объемная доля керамического наполнителя от 2,5 до 5 об. %, графитового наполнителя от 1,5 до 3 об. %.Known RF patent No. 2171307 (priority 02.22.2000) "COMPOSITE MATERIAL ANTIFRICTION PURPOSE FOR WORK IN THE CONDITIONS OF LIMITED LUBRICATION". This invention relates to the creation of anti-friction materials for mechanical engineering, working in heavily loaded units of sliding friction in conditions of limited lubrication. A cast composite material based on industrial cast aluminum alloys (such as silumins) is proposed, containing two types of discrete fillers: high-hard, high-modulus ceramic particles of carbides, nitrides, oxides with a size of not more than 20 microns and graphite particles with a fractional composition of 40-160 microns, volume fraction of ceramic filler from 2.5 to 5.0 vol. % This ensures a decrease in the coefficient of friction in dry friction, high wear resistance, bearing capacity. The volume fraction of ceramic filler is from 2.5 to 5 vol. %, graphite filler from 1.5 to 3 vol. %

Однако детали, полученные на его основе не обладают высокой стойкостью против абразивного износа вследствие того что доля керамического наполнителя не более 5%.However, the parts obtained on its basis do not have high resistance to abrasion due to the fact that the proportion of ceramic filler is not more than 5%.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является изобретение «Способ получения композиционного материала из алюминиевого сплава (его вариант) и композиционный материал» (патент RU 2202643, опубл. 26.09.2001). Состав известного композиционного материала на основе алюминиевого сплава содержит различную объемную долю оксида алюминия от 10 до 25 об. % и алюминиевый сплав. В качестве алюминиевого сплава используют сплав AК12M2MгH(Al-12%Si-1,2%Mg-2%Cu-1%Ni-1%Fe-0,5%Mn). Известный состав характеризуется длительной твердостью НВ1350 не менее 160 МПа.The closest technical solution to the claimed is the invention "A method of obtaining a composite material from aluminum alloy (its variant) and composite material" (patent RU 2202643, publ. 09.26.2001). The composition of the known composite material based on aluminum alloy contains a different volume fraction of alumina from 10 to 25 vol. % and aluminum alloy. As an aluminum alloy, the alloy AK12M2MgH (Al-12% Si-1.2% Mg-2% Cu-1% Ni-1% Fe-0.5% Mn) is used. The known composition is characterized by a long hardness HB1350 of at least 160 MPa.

Однако в данном составе используется в качестве матрицы АК12М2МгН, с повышенным содержанием легирующих элементов, что увеличивает стоимость сплава.However, in this composition, AK12M2MgN is used as a matrix, with a high content of alloying elements, which increases the cost of the alloy.

Технический результат заключается в получении детали из заявленного состава с высокой конструктивной прочностью по всему сечению изделия.The technical result consists in obtaining parts from the claimed composition with high structural strength over the entire cross section of the product.

Указанный технический результат достигается тем, что композиционный материал на основе алюминиевого сплава содержит оксид алюминия, а также кремний, марганец, никель, медь, магний, цинк при следующем содержании компонентов, мас. %:The specified technical result is achieved in that the composite material based on an aluminum alloy contains aluminum oxide, as well as silicon, manganese, nickel, copper, magnesium, zinc in the following components, wt. %:

Алюминий 66,0-75,8Aluminum 66.0-75.8

Оксид алюминия 13-20%, размер частиц не менее 30 мкмAlumina 13-20%, particle size at least 30 microns

Кремний 9,6-10,4Silicon 9.6-10.4

Медь 0,7-1,2Copper 0.7-1.2

Марганец до 0,2Manganese up to 0.2

Никель до 1Nickel up to 1

Магний 0,2-1Magnesium 0.2-1

Цинк до 0,2.Zinc up to 0.2.

Вышеуказанные и иные аспекты и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем подробном его описании.The above and other aspects and advantages of the present invention are disclosed in the following detailed description thereof.

Кремний в составе композиционного материала на основе алюминия повышает его жидкотекучесть и снижает линейную усадку, в результате чего у сплавов на основе алюминия, содержащих кремний, хорошие литейные свойства. Было обнаружено, что содержание кремния в пределах от 9,6 до 10,4 мас. % делает предлагаемый состав сплава пригодным для изготовления различных деталей.Silicon in the composition of an aluminum-based composite material increases its fluidity and reduces linear shrinkage, resulting in good casting properties for aluminum-based alloys containing silicon. It was found that the silicon content in the range from 9.6 to 10.4 wt. % makes the proposed alloy composition suitable for the manufacture of various parts.

Состав легирующих добавок, уменьшен по сравнению с аналогом, однако это не сказывается на ухудшении механических и служебных свойств предлагаемой композиции.The composition of the alloying additives is reduced in comparison with the analogue, however, this does not affect the deterioration of the mechanical and service properties of the proposed composition.

Соотношение компонентов в предлагаемой композиции подобрано экспериментальным путем и является оптимальным, что позволяет получить технический результат соответствующий поставленной задаче.The ratio of the components in the proposed composition is selected experimentally and is optimal, which allows to obtain a technical result corresponding to the task.

Введение в предлагаемый состав композиционного материала на основе алюминиевого сплава одновременно всех компонентов в предложенных количествах позволяет получить композиционный материал, обладающий меньшую стоимость по сравнению с аналогами, при сохранении комплекса механических и служебных свойств.Introduction to the proposed composition of a composite material based on aluminum alloy at the same time all components in the proposed quantities allows to obtain a composite material that has a lower cost compared to analogues, while maintaining a complex of mechanical and service properties.

Заявляемый композиционный материал готовят следующим образом.The inventive composite material is prepared as follows.

Расплав алюминия продувают кислород-азотной смесью содержащей не менее 30% кислорода. При этом за счет взаимодействия алюминия с кислородом образуется оксид алюминия. При достижении заданного содержания оксида алюминия производится внесение других легирующих элементов.The aluminum melt is purged with an oxygen-nitrogen mixture containing at least 30% oxygen. In this case, due to the interaction of aluminum with oxygen, aluminum oxide is formed. Upon reaching the specified alumina content, other alloying elements are introduced.

Осуществление изобретения иллюстрируется следующими примерами.The implementation of the invention is illustrated by the following examples.

Пример 1.Example 1

Расплав алюминия продували газовой смесью содержащей кислород 80% азот 20%. При достижении 15% содержания оксида алюминия производили внесение кремния 10%, марганца 0,2%, никеля 0,5%, меди 0,7%, магния 0,2%, цинка 0,1%. Разливку осуществляли в кокиль. В результате предел прочности превысил 240 МПа.The aluminum melt was purged with a gas mixture containing oxygen 80%, nitrogen 20%. Upon reaching 15% alumina content, silicon was added at 10%, manganese 0.2%, nickel 0.5%, copper 0.7%, magnesium 0.2%, zinc 0.1%. The casting was carried out in a chill mold. As a result, the tensile strength exceeded 240 MPa.

Пример 2.Example 2

Расплав алюминия продували газовой смесью содержащей кислород 70% азот 30%. При достижении 20% содержания оксида алюминия производили внесение кремния 10%, марганца 0,2%, никеля 0,5%, меди 1,2%, магния 1,0%, цинка 0,1%. Разливку осуществляли в кокиль. В результате предел прочности превысил 240 МПа.The aluminum melt was purged with a gas mixture containing oxygen 70% nitrogen 30%. Upon reaching 20% alumina content, silicon was added in 10%, manganese 0.2%, nickel 0.5%, copper 1.2%, magnesium 1.0%, zinc 0.1%. The casting was carried out in a chill mold. As a result, the tensile strength exceeded 240 MPa.

Предлагаемый состав композиционного материала на основе алюминиевого сплава является эффективным, обладающим высокими механическими и служебными свойствами в сочетании с низкой стоимостью.The proposed composition of the composite material based on aluminum alloy is effective, with high mechanical and service properties in combination with low cost.

Claims

A composite material based on an aluminum alloy containing aluminum oxide with a particle size of at least 30 μm, silicon, manganese, nickel, copper, magnesium, zinc and aluminum in the following components, wt. %:

Aluminum 66.0-75.8 Aluminium oxide 13-20 Silicon 9.6-10.4 Copper 0.7-1.2 Manganese up to 0.2 Nickel up to 1 Magnesium 0.2-1 Zinc up to 0.2