СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТОГО АЛЮМОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО СПЛАВА

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения литого композиционного сплава путем введения в расплав алюминия подготовленной специальным образом шихты, состоящей из порошков титана и углерода, образующих в расплаве упрочняющую дисперсную фазу карбида титана. Главное условие получения композиционного материала - смачивание наполнителя жидким металлом, но без образования продуктов химического взаимодействия. Существует множество предложений по способам подготовки и ввода шихты в расплав.

Известен способ получения композиционного материала на основе алюминиевого сплава [1], упрочненного карбидом титана, включающий подачу смеси тетрахлорида титана и тетрахлорида углерода в молярном соотношении 1:1 на поверхность расплава при непрерывном перемешивании, отличающийся тем, что смесь хлоридов подают на поверхность алюминиево-магниевого сплава и по окончании процесса восстановления полученный продукт выдерживают в вакууме при температуре 650-750°С.

Недостатком такого способа является использование вредных для здоровья человека хлоридов в больших количествах и необходимость выдержки в вакууме, требующая наличия специального оборудования.

Также интересен способ получения композиционных материалов, в котором применяется способ изготовления алюминиевых сплавов с упрочняющими включениями карбида кремния [2]. Данный способ получения литейного композиционного материала состоит в механическом перемешивании порошкового материала, содержащего в качестве матричного компонента алюминиевый сплав (Al+3% Mg, зернистость - до 200 мкр), а в качестве армирующего дискретные керамические частицы карбида кремния (SiC, зернистость - 30-50 мкр), и последующем брикетировании полученного порошкового материала под давлением 28-35 МПа. Содержание армирующих дискретных керамических частиц в прессуемом порошковом материале может достигать, 75 масс.%, при дальнейшем увеличении концентрации наблюдается хрупкость брикетов. Полученные брикеты вводят в расплав алюминиевого сплава, где происходит их равномерное распределение по всему объему сплава за счет диффузионных процессов.

Однако при реализации данного способа возникает необходимость приобретения уже готового карбида кремния, а также предварительного брикетирования шихты, что значительно усложняет предварительную подготовку армирующего компонента.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ приготовления композиционного сплава алюминий-карбид титана с применением метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [3]. Поставленная цель достигается последовательным выполнением следующих технологических операций: плавление алюминия, введение в расплав алюминия порциями экзотермической смеси из порошков титана, углерода и флюса криолита в стехиометрическом соотношении с осуществлением после введения каждой порции СВС-реакции и кристаллизации множества керамических включений карбида титана с размером ≤1-2 мкм и перемешивание расплава перед введением следующей порции экзотермической смеси, при этом получают сплав, содержащий 10% карбида титана.

Однако в данной технологии существенную трудность представляет введение порошков в расплав алюминия, поскольку введение их непосредственно в первоначальном состоянии неизбежно приводит к выгоранию на поверхности расплава части шихты и приводит к снижению количества образуемой целевой фазы.

Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение процесса подготовки и ввода шихты в расплав, увеличение степени усвоения шихтовых компонентов в расплаве и повышение равномерности распределения синтезируемых частиц упрочняющей фазы в матричном сплаве.

Технический результат достигается последовательным выполнением следующих технологических операций: плавление алюминия, введение в расплав алюминия порциями экзотермической шихты, состоящей из порошков титана и углерода, и перемешивание расплава, при этом перед введением в расплав экзотермическую шихту гранулируют с использованием связующего, являющегося флюсом и представляющим собой фторкаучук, с получением гранул размером 0,2-6,0 мм и содержанием сухого фторкаучука 1-2%, полученные гранулы вводят в расплав порциями в алюминиевой фольге толщиной 0,2-0,5 мм, а по окончании ввода шихты осуществляют выдержку расплава не менее 5 мин.

Пример выполнения способа получения композиционного сплава Al-10% TiC.

В состав исходной порошковой шихты входят следующие компоненты: порошок титана марки ТПП-7 (ТУ 1715-449-057853 88), порошок углерода технической марки П-701 (ГОСТ 7585-86), связующее в качестве флюса, например, синтетический фторкаучук СКФ-26 (ГОСТ 18376-79).

Подготовка шихты производится следующим образом: порошки титана и углерода, взятые в стехиометрическом соотношении (4:1), подвергаются искусственному гранулированию в следующем порядке:

1) Приготовление раствора связки - синтетического фторкаучука (C₅H₂F₈)n - в ацетоне с концентрацией 10-15 масс.%; 2) Сухое смешивание исходных порошков (Ti-C) в течение 5-10 мин; 3) Влажное смешивание с раствором фторкаучука в течение 20-30 мин; 4) Протирание влажной смеси через металлическую сетку с размером ячейки 0,2-6,0 мм; 5) Испарение растворителя (ацетона) при температуре 80-90°С в течение 24 ч; 6) Получение конечных гранул размером 0,2-6,0 мм с сухим содержанием фторкаучука 1-2%.

Ввод искусственно гранулированной экзотермической порошковой шихты в расплав осуществляется порциями в алюминиевой фольге толщиной 0,2-0,5 мм (3-6 навесок в зависимости от массы плавки) при температуре 900°С.

Каждая навеска выдерживается под зеркалом расплава до начала СВС-реакции, о наличии которой судят по бурному искрообразованию и газовыделению. После завершения реакции расплав перемешивается и вводится следующая навеска. Развивающиеся значения температур в зоне экзотермических реакций (до 1500°С) обеспечивают высокие скорости образования целевой керамической фазы. После завершения реакции горения происходит кристаллизация керамических включений карбида титана. Локальные разогревы в месте ввода навесок снижают вязкость расплава, повышают смачиваемость кристаллизующейся после прохождения реакции фазы и увеличивают равномерность распределения образующихся включений в расплаве при его перемешивании. Время ввода всех порций (навесок) составляет 2-3 мин. По окончании ввода шихты осуществляется выдержка при включенной печи - не менее 5 мин. Разливка осуществляется в чугунную вафельную изложницу или в стальной кокиль. По результатам экспериментальных исследований были сделаны следующие выводы:

1) введение в состав экзотермической шихты синтетического фторкаучука, содержащего активные атомы фтора, приводит к образованию газообразных легколетучих продуктов, которые оказывают рафинирующее воздействие на расплав в целом. Свидетельством данного процесса является:

- значительное сокращение времени задержки СВС-реакции (с 25-30 с в случае применения шихты без флюса до 5-6 с при использовании шихты, содержащей данный флюс) (табл.1);

- повышенное искро- и газовыделение, фиксирующее полноту прохождения и завершение СВС-реакции.

2) гранулирование исходной порошковой шихты и ввод в виде навесок из алюминиевой фольги обеспечивает постоянный и плотный контакт между частицами реагентов и исключает выгорание части шихты на поверхности расплава, способствует более полному ее усвоению. Полнота прохождения СВС-реакции подтверждается данными спектрального анализа (табл.1), на основании которых следует, что усвоение введенных шихтовых компонентов повысилось с 89 до 97%.

3) вследствие полного прохождения СВС-реакции фиксируется «чистый» излом однородного серого цвета и наблюдается более равномерное распределение синтезируемых частиц упрочняющей фазы в матричном сплаве. На рис.1 - Изломы образцов композиционного сплава Al-10% TiC (ТПП-7, П-701), полученных: а - без флюса; б - с применением флюса СКФ-26.

На рис.2 - Структура образцов композиционного сплава Al-10% TiC (ТПП-7, П-701) (×400), полученных: а - без флюса; б - с применением флюса СКФ-26.

Использованная литература

1. Заявка на изобретение РФ 97121120/02, приоритет от 02.12.1997 г. Способ получения композиционного материала.

2. Патент РФ №2353475, приоритет от 20.03.2007 г. Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения.

3. Патент РФ №2448178, приоритет от 18.08.2009 г. Способ получения литейного композиционного сплава алюминий-карбид титана.