Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЕЙНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения литейных композиционных материалов (ЛКМ) на основе алюминия и его сплавов. Предлагаемый способ позволяет получать детали с повышенной жаропрочностью, твердостью и износостойкостью и отличается простотой и низкой себестоимостью производства.

Известен способ получения ЛКМ на основе алюминиевого сплава, содержащий интерметаллидные включения TiAl₃ (см. патент RU 2323991, МПК С22С 1/10, опубл. 10.05.2008).

Данный способ для создания упрочняющих частиц TiAl₃, предполагает введение в нагретый до 850±10°C расплав алюминиевого сплава предворительно нагретого спрессованного брикета наполнителей, подвергнутых высокоэнергетическому перемешиванию, далее после выдержки и перемешивания проводят разливку расплава. Для образования интерметаллидов в вводимом брикете содержатся частицы титана с дискретными керамическими частицами размером до 50 нм, внедряемые в расплав алюминиевого сплава в количестве 0,1-2% от его массы, действующие при кристаллизации как модификаторы, что позволяет получать в материале включения интерметаллидных фаз размером до 10 мкм в количестве 5-20 об.%, способствующих повышению жаропрочности материала.

Недостатками известного способа являются:

- сложность, высокая энергозатратность и стоимость. Применение такого способа на производстве, спроектированном для выплавки классических сплавов, потребует серьезной модернизации и дополнительной установки дорогостоящего оборудования для смешивания наполнителей и их прессования;

- нагрев сплава для введения наполнителя до 850±10°C также ведет к увеличению энергозатрат на его производство;

- введение металлических частиц в брекетированном, а не в свободном виде не позволяет сразу приступить к перемешиванию расплава, что увеличивает время протекания реакций образования интерметаллидов.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа получения дисперсно-упрочненного ЛКМ для упрощения его получения, снижения себестоимости и энергозатрат на его производство.

Поставленная задача решается тем, что для получения литейного композиционного материала на основе алюминия и его сплавов, включающего дисперсные интерметаллидные частицы TiAl₃, образование в расплаве алюминия интерметаллидных частиц TiAl₃ проводят при температуре 700±800°C путем введения измельченной титановой губки размером фракций не более 5 мм, причем измельченная титановая губка вводится в расплав алюминия в количестве, чтобы содержание образованных частиц TiAl₃ не превышало 35 об.%.

Поскольку образование в расплаве алюминия интерметаллидных частиц TiAl₃ проводят при температуре 700±800°C путем введения измельченной титановой губки размером фракций не более 5 мм, причем измельченная титановая губка вводится в расплав алюминия в количестве, чтобы содержание образованных частиц TiAl₃ не превышало 35 об.%, обеспечивается возможность получения дисперсно-упрочненного ЛКМ со снижением себестоимости и энергозатрат на его производство.

Самопроизвольное течение процесса образования интерметаллидных частиц при контакте расплава алюминия с титановой губкой позволяет придерживаться простых, традиционных и недорогих технологий получения отливок. Использование именно титановой губки позволяет облегчить и ускорить процесс получения интерметаллидных частиц из-за высокоразвитой поверхности вводимых частиц.

Предлагаемый способ получения ЛКМ осуществляется следующим образом.

В расплав чистого алюминия при температуре 700±800°C (данный температурный интервал оптимален по соотношению энергозатрат и времени протекания процесса образования интерметаллидов) вводят измельченную титановую губку с размером фракций до 5 мм. Больший размер частиц приводит к увеличению времени образования интерметаллидов, что показали опытно-экспериментальные работы. Введение титановой губки может осуществляться различными способами, в том числе и свободной засыпкой на зеркало расплава при постоянном перемешивании или введением порции титановой губки под зеркало расплава.

Введенная в расплав титановая губка реагирует с расплавом алюминия, что приводит к образованию дисперсных частиц TiAl₃ благоприятной округлой формы, размером частиц в среднем 10-25 мкм. Процесс идет с выделением большого количества тепла, что разогревает сплав дополнительно и способствует ускорению процессов образования интерметаллидов, а также уменьшает энергопотребление плавильной установки. Для ускорения процесса образования интерметаллидных частиц можно применять перемешивание расплава. В частности, рекомендуется механическое перемешивание расплава со скоростью вращения импеллера 200-300 об/мин в течение от 5 до 20 мин в зависимости от количества введенной титановой губки, такое перемешивание обеспечивает заметное сокращение времени образования интерметаллидов в сочетании с малыми энергозатратами на свое осуществление. Перед введением титановую губку рекомендуется прокалить в течение 15-30 мин при температуре 200°C для удаления адсорбционной влаги. Процесс легирования аналогичен легированию простых алюминиевых сплавов. В качестве матрицы для получаемых таким способом материалов может использоваться любой алюминиевый сплав. После легирования рекомендуется провести рафинирование сплава. В зависимости от объемного содержания упрочнителя в сплаве возможно применение любых техник получения отливок: как свободное литье, так и принудительное. В зависимости от матричного сплава возможно проведение соответствующей термообработки.

Предлагаемый способ получения ЛКМ может быть проиллюстрирован следующим примером.

Был получен ЛКМ, упрочненный частицами TiAl₃, с матрицей из сплава системы Al-Mg-Si, так как данная система весьма распространена при создании конструкционных материалов. Для этого в перегретый до 780°C алюминий вводилась предварительно прокаленная при 200°C в течение 30 мин титановая губка в количестве до 4 (вес.)%, после чего расплав в течение 20 минут перемешивался со скоростью вращения импеллера 300 об/мин. Легирование матрицы проводилось аналогично приготовлению чистого сплава системы Al-Mg-Si. Время продувки аргоном, ввиду небольшого объема плавки, составило 6 минут. Данный способ, без серьезных изменений в технологической цепочке производства отливок, позволил получить ЛКМ с равномерным распределением упрочняющих частиц TiAl₃ по всему объему отливок, твердость и жаропрочность которого выше чем у сплава, аналогичного с матрицей данного ЛКМ состава. Размер частиц не превысил 25 мкм, а их объемное содержание позволило применить метод свободной заливки.