RU2755353C1 - Composite material based on aluminium or aluminium alloy and method for production thereof - Google Patents

Composite material based on aluminium or aluminium alloy and method for production thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2755353C1
RU2755353C1 RU2020134417A RU2020134417A RU2755353C1 RU 2755353 C1 RU2755353 C1 RU 2755353C1 RU 2020134417 A RU2020134417 A RU 2020134417A RU 2020134417 A RU2020134417 A RU 2020134417A RU 2755353 C1 RU2755353 C1 RU 2755353C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aluminium
composite material
aluminum
discrete
melt
Prior art date
Application number
RU2020134417A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юлия Анатольевна Курганова
Ицзинь Чэнь
Original Assignee
Юлия Анатольевна Курганова
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юлия Анатольевна Курганова filed Critical Юлия Анатольевна Курганова
Priority to RU2020134417A priority Critical patent/RU2755353C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2755353C1 publication Critical patent/RU2755353C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C49/00Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C49/02Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the matrix material
    • C22C49/04Light metals
    • C22C49/06Aluminium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C49/00Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C49/14Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the fibres or filaments

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to the field of metallurgy, namely, to production of a cast composite material based on aluminium or aluminium alloy reinforced with discrete Al2O 3 fibres of a nanoscale diameter, and can be used as a construction material in various fields of technology. The cast composite material comprises a matrix of aluminium or aluminium alloy and a reinforcer made in the form of a conglomerate of discrete aluminium oxide fibres with a diameter of 10 to 20 nm and transport copper powders with a size of 10 to 20 mcm, wherein the total content of aluminium oxide and copper is 1% wt. The method for producing a cast composite material includes mixing discrete aluminium oxide fibres with a diameter of 10 to 20 nm and copper powders with a size of 10 to 20 mcm for 30 to 40 minutesthe introducing the resulting conglomerates into the melt of aluminium or aluminium alloy at a temperature of 750 to 800°C, mixing at a rate of 600 rpm with sustaining for 10 to 15 min for the development of processes of distribution of the discrete fibres throughout the volume of the melt, followed by mixing with controlled lowering of the temperature to 740 to 750°C and casting into moulds.
EFFECT: invention is aimed at increasing the hardness and microhardness of a composite material based on aluminium or an aluminium alloy while maintaining the density thereof.
2 cl, 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, упрочненного дискретными волокнами Al2O3 диаметром нанодиапазона, который может быть использован в различных областях техники в качестве конструкционного материала, обладающего повышенной твердостью без увеличения плотности. К областям приоритетного применения относятся: космические системы, авиастроение, машиностроение, приборостроение, судостроение, железнодорожный и другой вид транспорта.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the production of a composite material based on aluminum or an aluminum alloy, reinforced with discrete fibers of Al 2 O 3 with a diameter of the nano-range, which can be used in various fields of technology as a structural material with increased hardness without increasing density. The areas of priority application include: space systems, aircraft construction, mechanical engineering, instrument making, shipbuilding, railway and other types of transport.

Известен способ изготовления порошкового композиционного материала, который содержит матрицу из алюминиевого или магниевого сплава, и 20-80 об.% упрочнителя, выполненного в виде армирующих нановолокон оксида алюминия, покрытых пленкой аморфного углерода (Патент РФ №2374355 от 27.11.2009). Недостатком предложенного изобретения является сложность технологии, необходимость применения специализированного оборудования, трудность изготовления образцов, опасность горения порошка и взрыва в процессе производства.A known method of manufacturing a powder composite material, which contains a matrix of aluminum or magnesium alloy, and 20-80 vol.% Of the hardener, made in the form of reinforcing nanofibers of aluminum oxide, covered with a film of amorphous carbon (RF Patent No. 2374355 from 27.11.2009). The disadvantage of the proposed invention is the complexity of the technology, the need to use specialized equipment, the difficulty of making samples, the danger of powder burning and explosion during production.

Известен также способ получения сплава на основе алюминия (патент РФ №2516679, от 20.05.2014), который получают механическим замешиванием дискретных керамических частиц углеродсодержащей боридной фазы C2Al3B48 размером 1-2 мкм в расплав в количестве 0,1- 0,6% по массе. Предлагаемый способ механического замешивания практически трудно осуществить по причине агломерации частиц и потери жидкотекучести расплава, к тому же способ не обеспечивает равномерного распределения частиц в матрице и, следовательно, стабильного уровня свойств ЛКМ.There is also known a method of producing an aluminum-based alloy (RF patent No. 2516679, dated 20.05.2014), which is obtained by mechanical mixing of discrete ceramic particles of the carbon-containing boride phase C 2 Al 3 B 48 with a size of 1-2 microns into the melt in an amount of 0.1-0 , 6% by weight. The proposed method of mechanical mixing is practically difficult to implement due to the agglomeration of particles and loss of fluidity of the melt, moreover, the method does not provide a uniform distribution of particles in the matrix and, therefore, a stable level of properties of paintwork materials.

В качестве прототипа был выбран литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения(Патент РФ №2353475 от 27.04.2009), заключающийся в смешивании в размольно-смесительном устройстве порошков матричного компонента из алюминиевого сплава Al+3%Mg и армирующих дискретных керамических частиц карбида кремния зернистостью 30-50 мкм в количестве 3-5 мас.% или 9-15 мас.%, брикетирование смеси под давлением 28-35 МПа, введение брикетов в расплав сплава Al+3%Mg, перемешивание расплава и разливка. Недостатком предложенного изобретения является большой размер наполнителя, неэффектифность изготовления композиционных материалов упрочненных наноразмерными наполнителями из-за проблемы введения наноразмерного армирующего фазы в расплав. As a prototype, a cast composite material based on an aluminum alloy and a method for its production were chosen (RF Patent No. 2353475 dated 04/27/2009), which consists in mixing powders of a matrix component from an aluminum alloy Al + 3% Mg and reinforcing discrete ceramic silicon carbide particles with a grain size of 30-50 microns in an amount of 3-5 wt.% or 9-15 wt.%, briquetting the mixture under a pressure of 28-35 MPa, introducing briquettes into the Al + 3% Mg alloy melt, mixing the melt and casting. The disadvantage of the proposed invention is the large size of the filler, the ineffectiveness of manufacturing composite materials reinforced with nanosized fillers due to the problem of introducing a nanosized reinforcing phase into the melt.

Задача, на решение которой направленно заявленное изобретение, заключается в разработке состава и способа производства литого композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, упрочненного дискретными волокнами Al2O3 диаметром нанодиапазона.The problem to be solved by the claimed invention is to develop a composition and a method for producing a cast composite material based on aluminum or an aluminum alloy reinforced with discrete Al 2 O 3 fibers with a nanoscale diameter.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что предлагаемый литой композиционный материал на основе алюминия или алюминиевого сплава наполнен дискретными волокнами Al2O3 диаметром нанодиапазона. В качестве эффективного компонента, который с одной стороны может выступать легирующим элементом для матричного материала, а с другой - элементом, обеспечивающим транспортные функции при введении нанаволокон предложено использовать медь. Транспортирующий порошок меди предварительно перетирается с наполнителем, образуя некоторый конгломерат. The essence of the invention lies in the fact that the proposed cast composite material based on aluminum or aluminum alloy is filled with discrete Al 2 O 3 fibers with a nanoscale diameter. It is proposed to use copper as an effective component, which, on the one hand, can act as an alloying element for the matrix material, and on the other hand, as an element providing transport functions when introducing nanofibers. The transporting copper powder is preliminarily ground with a filler, forming a certain conglomerate.

Способ поясняется графическими материалами: фиг.1, фиг.2. На фиг.1 представлена схема получения композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, упрочненного дискретными волокнами Al2O3 диаметром нанодиапазона. На фиг.2 показана схема получения конгломерата.The method is illustrated by graphic materials: Fig. 1, Fig. 2. Figure 1 shows a diagram of obtaining a composite material based on aluminum or aluminum alloy, reinforced with discrete fibers of Al 2 O 3 with a diameter of the nanoscale. Figure 2 shows a scheme for obtaining a conglomerate.

Предлагаемый способ получения литого композиционного материала состоит в перемешивании армирующих фаз, содержащих дискретные волокна оксида алюминия диаметром нанодиапазона (10-20 нм) и микронные порошки меди (10-20 мкм) с последующим механическим замешиванием конгломерата в матричный расплав.The proposed method for producing a cast composite material consists in mixing reinforcing phases containing discrete fibers of aluminum oxide with a diameter of the nanoscale (10-20 nm) and micron-sized copper powders (10-20 microns), followed by mechanical kneading of the conglomerate into the matrix melt.

Перемешивание армирующих фаз осуществляют в керамической ступке при комнатной температуре. Время перемешивания 30-40 минут со скоростью 60 об/минут. Полученный конгломерат вводят в матричный расплав, разогретый до 800±10°C, при условии постоянного перемешивания со скоростью 600 об/минут. В ходе исследований эмпирическим путем установлена оптимальная температура расплава, обеспечивающая должное усвоение наполняющего компонента. При 750-800°C расплав выдерживали в течение 10-15 мин для распределения наполнителя в объеме, затем перемешивали при контролируемом понижении температуры до 740-750°C и разливали. Последующая кристаллизация расплава проходила самопроизвольно. The reinforcing phases are mixed in a ceramic mortar at room temperature. Mixing time 30-40 minutes at a speed of 60 rpm. The resulting conglomerate is introduced into the matrix melt, heated to 800 ± 10 ° C, under the condition of constant stirring at a speed of 600 rpm. In the course of research, the optimal melt temperature was established empirically to ensure proper assimilation of the filling component. At 750-800 ° C, the melt was kept for 10-15 minutes to distribute the filler in volume, then it was stirred at a controlled temperature decrease to 740-750 ° C and poured. The subsequent crystallization of the melt took place spontaneously.

По вышеизложенной технологии были изготовлены образцы для измерения физических и механических свойств. Характеристики испытуемых материалов приведены в табл. 1 и 2.Using the above technology, samples were made to measure the physical and mechanical properties. The characteristics of the tested materials are given in table. 1 and 2.

Таким образом, предлагаемый литой композиционный материал отличается от исходных матричных материалов лучшим комплексом свойств: повышением твердости на 41%, микротвердости на 22%. При сохранении плотности на уровне точности второго знака после запятой. Эффект упрочнения при введении нановолокон продемонстрирован в таблице 2 по уровню работы удара. Работа удара уменьшается на 53%. Thus, the proposed cast composite material differs from the original matrix materials in a better set of properties: an increase in hardness by 41%, microhardness by 22%. While maintaining the density at the level of precision of the second decimal place. The hardening effect with the introduction of nanofibers is shown in Table 2 in terms of impact work. Impact work is reduced by 53%.

Таблица 1Table 1 МатериалMaterial Плотность
(г/см3)
Density
(g / cm 3 )
Твердость
(НВ)
Hardness
(HB)
Микротвердость (HV0,1)Microhardness (HV0.1)
Исходный матричный материал Al Initial matrix material Al 2,69172.6917 19,07±1,3619.07 ± 1.36 26,1±2,9126.1 ± 2.91 Исходный материал
Al + 1% Cu материал
Raw material
Al + 1% Cu material
2,67362.6736 22.42±1,6422.42 ± 1.64 29,94 ±2,2629.94 ± 2.26
Al + 1% (наноAl2O3 +Cu)
композиционный материал
Al + 1% (nanoAl 2 O 3 + Cu)
composite material
2,67392.6739 26,87±1,5426.87 ± 1.54 31,86±3,1631.86 ± 3.16

Таблица 2table 2 МатериалMaterial Работа удара (Дж)Impact work (J) Исходный матричный материал
Al
Initial matrix material
Al
67,4±5,967.4 ± 5.9
Исходный материал
Al + 1% Cu материал
Raw material
Al + 1% Cu material
22,5±2,222.5 ± 2.2
Al + 1% (наноAl2O3 +Cu)
композиционный материал
Al + 1% (nanoAl 2 O 3 + Cu)
composite material
31,3±1,131.3 ± 1.1

Claims (2)

1. Литой композиционный материал на основе алюминия или алюминиевого сплава, содержащий матрицу из алюминиевого сплава и упрочнитель, выполненный в виде конгломерата дискретных волокон оксида алюминия диаметром 10-20 нм и транспортных порошков меди размером 10-20 мкм, при этом суммарное содержание оксида алюминия и меди составляет 1 мас.%.1. Cast composite material based on aluminum or aluminum alloy, containing a matrix of aluminum alloy and a hardener made in the form of a conglomerate of discrete fibers of aluminum oxide with a diameter of 10-20 nm and transport copper powders with a size of 10-20 microns, while the total content of aluminum oxide and copper is 1 wt.%. 2. Способ получения литого композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, отличающийся тем, что он включает смешивание дискретных волокон оксида алюминия диаметром 10-20 мкм и порошков меди размером 10-20 мкм в течение 30-40 мин, введение полученных конгломератов в расплав алюминия или алюминиевого сплава при температуре 750-800 °С, перемешивание со скоростью 600 об/мин в течение 10-15 мин для протекания процессов распределения дискретных волокон по объему расплава алюминия или алюминиевого сплава, затем осуществляют перемешивание при контролируемом понижении температуры до 740-750 °С и разливку в формы для получения литых композиционных материалов.2. A method of producing a cast composite material based on aluminum or an aluminum alloy, characterized in that it includes mixing discrete fibers of aluminum oxide with a diameter of 10-20 microns and copper powders with a size of 10-20 microns for 30-40 minutes, introducing the obtained conglomerates into the melt aluminum or aluminum alloy at a temperature of 750-800 ° C, stirring at a speed of 600 rpm for 10-15 minutes for the processes of distribution of discrete fibers in the volume of an aluminum or aluminum alloy melt, then stirring is carried out at a controlled temperature decrease to 740-750 ° C and casting into molds to obtain cast composite materials.
RU2020134417A 2020-10-20 2020-10-20 Composite material based on aluminium or aluminium alloy and method for production thereof RU2755353C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020134417A RU2755353C1 (en) 2020-10-20 2020-10-20 Composite material based on aluminium or aluminium alloy and method for production thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020134417A RU2755353C1 (en) 2020-10-20 2020-10-20 Composite material based on aluminium or aluminium alloy and method for production thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2755353C1 true RU2755353C1 (en) 2021-09-15

Family

ID=77745692

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020134417A RU2755353C1 (en) 2020-10-20 2020-10-20 Composite material based on aluminium or aluminium alloy and method for production thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2755353C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115595477A (en) * 2022-10-28 2023-01-13 北京航空航天大学(Cn) Aluminum-based composite material and preparation method thereof
RU2793674C1 (en) * 2022-12-27 2023-04-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Composite material

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0204319A1 (en) * 1985-06-04 1986-12-10 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Composite material including alumina short fibers as reinforcing material and aluminium alloy with copper and magnesium as matrix metal
DE3765436D1 (en) * 1986-01-31 1990-11-15 Toyota Motor Co Ltd COMPOSITE MATERIAL WITH SHORT ALUMINUM SILICATE FIBERS AS A REINFORCEMENT ELEMENT AND A MATRIX CONSTRUCTING AN ALUMINUM ALLOY WITH A LOW COPPER AND MAGNESIUM CONTENT.
WO1997000976A1 (en) * 1995-06-21 1997-01-09 Minnesota Mining And Manufacturing Company Fiber reinforced aluminum matrix composite
RU2358245C1 (en) * 2007-11-12 2009-06-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" Method and device for measuring temperature
RU2374355C1 (en) * 2008-11-01 2009-11-27 Валентин Александрович Жабрев Composite material

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0204319A1 (en) * 1985-06-04 1986-12-10 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Composite material including alumina short fibers as reinforcing material and aluminium alloy with copper and magnesium as matrix metal
DE3765436D1 (en) * 1986-01-31 1990-11-15 Toyota Motor Co Ltd COMPOSITE MATERIAL WITH SHORT ALUMINUM SILICATE FIBERS AS A REINFORCEMENT ELEMENT AND A MATRIX CONSTRUCTING AN ALUMINUM ALLOY WITH A LOW COPPER AND MAGNESIUM CONTENT.
WO1997000976A1 (en) * 1995-06-21 1997-01-09 Minnesota Mining And Manufacturing Company Fiber reinforced aluminum matrix composite
RU2358245C1 (en) * 2007-11-12 2009-06-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" Method and device for measuring temperature
RU2374355C1 (en) * 2008-11-01 2009-11-27 Валентин Александрович Жабрев Composite material

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115595477A (en) * 2022-10-28 2023-01-13 北京航空航天大学(Cn) Aluminum-based composite material and preparation method thereof
RU2793674C1 (en) * 2022-12-27 2023-04-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Composite material
RU2793673C1 (en) * 2022-12-27 2023-04-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет"(ВолгГТУ) Composite material
RU2793676C1 (en) * 2022-12-27 2023-04-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Composite material
RU2793675C1 (en) * 2022-12-27 2023-04-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Composite material
RU2797414C1 (en) * 2022-12-27 2023-06-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Composite material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11077493B2 (en) Powder composition for the manufacture of casting inserts, casting insert and method of obtaining local composite zones in castings
RU2755353C1 (en) Composite material based on aluminium or aluminium alloy and method for production thereof
KR910006069B1 (en) Method for manufacture of cast articles of fiber-reinforced aluminium composite
CN105734347A (en) Method for preparing TiB2 particle-reinforced Al matrix composite through SPS (spark plasma sintering)
CN105689702B (en) Aluminium packet Graphite Composite Powder, the aluminum-graphite composite and preparation method thereof comprising the composite granule
RU2567779C1 (en) Method of producing of modified aluminium alloys
RU2658566C2 (en) Method for obtaining compact materials containing titanium diboride using self-propagating high-temperature synthesis
CN109852870A (en) A kind of preparation method of nitrogenous steel bonded carbide
RU2356968C1 (en) Method of receiving of cast high-reinforced alumo-matrix composite material
RU2555321C2 (en) Method of production of cast aluminium-matrix composite alloy
JP2000073129A (en) Production of metal-ceramic composite material for casting
RU2177047C1 (en) Method of preparing aluminum-based alloy
RU2810143C1 (en) Al-Ti-B LIGATURE PRECURSOR
JPH11170027A (en) Ingot for metal-ceramic composite and production thereof
JP2022025568A (en) Powdery material, and sintered body using the same
JPH11172348A (en) Metal-ceramics composite and its production
JP2000281425A (en) Production of sulfur composition molded form
US404238A (en) Molding material
SU881075A1 (en) Refractory mass for monolithic lining
Amosov et al. Aluminum matrix composites reinforced with SHS nanoparticles
RU2142355C1 (en) Method for suspension casting of irons
SU1687358A1 (en) Method of producing consumable patterns
CN117965972A (en) Light high-strength high-toughness high-modulus Al-Mg-Yb-Zr-TiB2Composite material, preparation method and application
CN105331763A (en) Preparation method and application of nucleating agent for nodular cast iron
JP2000264713A (en) Production of sulfur composition