×
29.12.2017
217.015.f732

Результат интеллектуальной деятельности: Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора, и способ его получения

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к плавке и литью сплавов цветных металлов, и предназначено для изготовления композиционных материалов на основе алюминиевого сплава с низким коэффициентом термического расширения для деталей автомобилестроения. Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора ВС, содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: медь 4-6, карбид бора 1-8, алюминий - остальное. Способ получения композиционного материала включает плавление алюминия и меди технической чистоты в графито-шамотном тигле в электрической печи сопротивления, введение в расплав при температуре 850-950°С частиц ВС размером 1-20 мкм путем механического замешивания со скоростью вращения 450 об/мин с помощью четырехлопастной титановой лопатки и заливки расплава в матрицу с последующей кристаллизацией под давлением 50-200 МПа. Техническим результатом изобретения является получение композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного карбидом бора, с низким коэффициентом термического расширения. 2 н.п. ф-лы, 3 пр., 10 ил.

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к плавке и литью сплавов цветных металлов, и предназначено для изготовления композиционных материалов на основе алюминиевого сплава с низким коэффициентом термического расширения для деталей автомобилестроения.

Как известно, поршневые силумины (сплавы на основе системы Al-Si) обладают уникальным комплексом свойств, таких как низкий коэффициент термического расширения (КТР), высокая износостойкость, технологичность при литье, однако уровень их механических свойств, как при комнатной, так и при повышенных температурах уступает большинству литейных алюминиевых сплавов. Проблему повышения механических характеристик при повышенных температурах без потери комплекса остальных свойств могут решить композиционные материалы (КМ). Исследования и разработки КМ на основе алюминиевых сплавов, армированных частицами SiC, Al2O3 и некоторыми другими, показывают возможность разработки сплавов с более высоким комплексом свойств. Такие соединения, как SiC, SiO2, AlN, BN, Si3N4, B4C, имеют более низкий КТР, чем кремний (менее 4⋅10-6 °C-1), что может позволить использовать их в качестве армирующих частиц при разработке КМ с уникальным комплексом свойств. Наиболее перспективными могут стать частицы B4C, введение которых в расплав алюминия не требует трудоемкой предварительной обработки. В настоящем патенте предлагается способ получения КМ на основе сплава Al-5% Cu с низким коэффициентом термического расширения.

Известны два основных способа получения КМ: методами порошковой металлургии и механического замешивания в расплав.

В патенте CN 1540019 A (опубликован 09.11.2005) описывается способ получения композиционного материала на основе алюминия, содержащего частицы TiC и Al2O3 в количестве 3-35 масс. %. Замешивание механически активированной смеси TiC и Al2O3, полученной в планетарной мельнице, производилось в индукционной печи при температуре 1200°C с выдержкой 3-10 минут для прохождения реакций взаимодействия между компонентами. Дальнейшая разливка осуществлялась под давлением в графитовую изложницу. Недостатком данного изобретение является применение энергозатратной технологии механического легирования, приводящей к увеличению длительности производства и стоимости конечного продукта.

В патенте CN 1327014 C (приоритет 02.06.2005) описывается композиционный материал, армированный квазикристаллическими частицами AlCuFe, и способ его получения. Способ получения заключается в замешивании квазикристаллических частиц состава AlxCuyFez, где x, y, z - атомный процент (x+y+z=100), 62≤x≤67, 21≤y≤26, 12≤z≤15, размером 20-100 мкм, в расплаве алюминиевого сплава состава AlaMbNc, где a, b, c - массовые проценты (a+b+с=100): 86≤a≤100, 0≤b≤13, 0≤c≤1, а M представляет один из элементов Mg, Cu, Si, Zn, N - один из элементов Fe, Ni, Cr. Разливка расплава осуществляется под давлением. Основным недостатком данного изобретения является высокая стоимость получения квазикристаллического порошка путем атомизации (распыления расплава под высоким давлением аргона).

В документе CN 1422971 A (опубликован 24.05.2006) описывается композиционный материал на основе алюминия и способ его получения. Материал предназначен для изготовления поршней автомобильных двигателей и содержит кремний (9-16%), медь (0,5-2,5%), никель (0,5-2,0%), магний (0,2-1,5%), титан (0,2-2,0), а также армированный частицами Al2O3 и TiC в количестве 5-15 масс. %.

В патенте CN 102534314 A (опубликован 19.08.2013) описывается композиционный материал на основе алюминия, армированный частицами гексаборида лантана, и способ его получения. Материал содержит 5-20% Si, 0.68-6.82% La, 0.32-3.18% B. Материал получается сплавлением чистых алюминия, лантана, кремния и лигатуры алюминий - бор при температуре 800-1200°C и обычным литьем. Армирование происходит за счет взаимодействия лантана и алюминия в жидком расплаве.

В патенте US 13554896 (опубликован 25.07.2013) описывается метод получения композиционного материал на основе алюминия, армированного частицами TiC, TiB2, V, Zr, заключающийся в интенсивном перемешивании расплава алюминия сжатым инертным газом для равномерного распределения армирующих частиц. Недостатком изобретений CN 1422971 A, CN 102534314 A и US 13554896 является отсутствие давления при кристаллизации, что приводит к повышенной пористости изделий и, как следствие, к снижению механических свойств.

В патенте CN 103757449 A (опубликован 30.04.2014) описывается композиционный материал на основе алюминия, армированный частицами TiB2. Метод получения материала заключается в замешивании частиц TiB2 в расплав алюминия при температуре 1100°C-1400°C и литье под давлением. Недостатком данного изобретения является высокая температура замешивания частиц, при которой происходит сильное окисление расплава и появление большого количество неметаллических включений, что приводит к снижению механических свойств.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является патент US 12897651 (опубликован 05.04.2012), предложен композиционный материал на основе алюминия, армированный частицами Al2O3, SiC, C, SiO2, B, BN, B4C и AlN в количестве более 10% размером 0,1-1 мкм. В качестве алюминиевой матрицы может быть использован один из сплавов систем Al-Si, Al-Cu, серий 2xxx, 6xxx. Недостатком данного изобретения является отсутствие давления при кристаллизации, что приводит к повышенной пористости изделий и, как следствие, снижение механических свойств.

Техническим результатом данного изобретения является композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора, с низким коэффициентом термического расширения. Технический результат достигается за счет сплавления металлов алюминия (86-95 масс. %) и меди (4-6 масс. %) технической чистоты в графито-шамотном тигле в электрической печи сопротивления, введения в расплав при температуре 850-950°С частиц карбида бора (1-8 масс. %) размером 1-20 мкм путем механического замешивания со скоростью вращения 450 об/мин с помощью четырехлопастной титановой лопатки (Фиг. 1) и заливки расплава в матрицу с последующей кристаллизацией под давлением 50-200 МПа. Четырехлопастная титановая лопатка имеет следующие характеристики: две пары лопастей толщиной 2 мм, шириной 25 мм и длиной 70 мм расположены на прутке диаметром 10 мм на расстоянии 30 мм друг от друга. Оси лопастей расположены под углом 90 градусов друг к другу и к оси прутка. Каждая лопасть имеет загиб под углом 30 градусов.

Описание чертежей

Фиг. 1 - Внешний вид сконструированной четырехлопастной титановой лопатки.

Фиг. 2 - Микроструктура композиционного материала Al-5%Cu-2%В4С.

Фиг. 3 - Рентгенограмма композиционного материала Al-5%Cu-2%В4С.

Фиг. 4 - Микроструктура композиционного материала Al-5%Cu-5%В4С.

Фиг. 5 - Рентгенограмма композиционного материала Al-5%Cu-5%В4С.

Фиг. 6 - Микроструктура композиционного материала Al-5%Cu-7%В4С.

Фиг. 7 - Рентгенограмма композиционного материала Al-5%Cu-7%В4С.

Фиг. 8 - Пористость матрицы и композиционных материалов.

Фиг. 9 - Коэффициент термического расширения в интервале 20-200°С матрицы и композиционных материалов.

Фиг. 10 - Термокинетические кривые старения матрицы и композиционных материалов.

Осуществление изобретения.

Для решения поставленной задачи предлагается следующая технология: в расплав алюминия марки А85 при температуре 900°C вводится медь марки М0, после растворения меди предварительно подогретый до 250°C порошок карбида бора размера 1-20 мкм с помощью титановой трубки с воронкой вводят в расплав при его постоянном перемешивании четырехлопастной титановой лопаткой, затем расплав заливают в цилиндрическую стальную изложницу, разогретую до 250°C, и проводят прессование расплава давлением в 50-200 МПа. Температура расплава 900°C выбрана, поскольку, начиная примерно с этой температуры, существенно повышается смачиваемость частиц расплавом, а при более высоких происходит сильное окисление и газонасыщение. Подогрев частиц до температур более 250°C приводил к частичному спеканию порошка, что существенно затрудняло его ведение. Скорость вращения четырехлопастной титановой лопатки подбиралась эмпирически из двух соображений: во-первых, для введения частиц необходимо было создать воронку в расплаве, во-вторых, при очень высоких скоростях происходило сильное газонасыщение расплава. Оптимально подобранная скорость составила примерно 450 об/мин.

Исследование структуры сплавов проводят с использованием растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Оценку механических свойств проводили по результатам измерения твердости методом Виккерса (HV). Определение пористости осуществляли по отклонению теоретической плотности от экспериментальной методом гидростатического взвешивания. Средний линейный коэффициент термического расширения (КТР) определяли с использованием дилатометра Linseis L75 в температурном интервале 20-200°C.

Пример 1

КМ состава Al-5% Cu-2% B4C был получен следующим образом.

Для приготовления КМ использовались чистые металлы: алюминий и медь и частицы карбида бора размером 1-20 мкм. Плавку вели в графито-шамотных тиглях в печи сопротивления фирмы «Nabertherm». Разливку осуществляли при температуре 900°C в цилиндрическую стальную форму с диаметром 50 мм и под давлением в 100 МПа проводили прессование расплава.

После получения слитка образец исследовали методом рентгеноструктурного анализа и на растровом электронном микроскопе. На Фиг. 2 представлена микроструктура, а на Фиг. 3 рентгенограмма полученного образца. Как видно, структура представлена неравновесными включениями фазы Al2Cu, а частицы B4C однородно распределены в матрице (Фиг. 2). Кристаллизация под давлением приводит к повышению смачиваемости частиц расплавом, в результате чего на межфазной границе частица/матрица образуются фазы AlB2 и Al3BC (Фиг. 3). Пористость КМ Al-5% Cu-2% B4C незначительно повышается с 0,75 до 1,2% (Фиг. 8) (на Фиг. 8 (М) - сокращенное наименование матрицы Al-5% Cu), коэффициент термического расширения в интервале 20-200°C уменьшается на 0,9⋅10-6 °C-1 (Фиг. 9) (на Фиг. 9 (М) - сокращенное наименование матрицы Al-5% Cu), максимальная твердость в состаренном при 200°C выше на 6 HV (Фиг. 10) в сравнении с матричным сплавом.

Пример 2

КМ состава Al-5% Cu-5% B4C был получен следующим образом.

Для приготовления КМ использовались чистые металлы: алюминий и медь и частицы карбида бора размером 1-20 мкм. Плавку вели в графито-шамотных тиглях в печи сопротивления фирмы «Nabertherm». Разливку осуществляли при температуре 900°C в цилиндрическую стальную форму с диаметром 50 мм и под давлением в 130 МПа проводили прессование расплава.

После получения слитка образец исследовали методом рентгеноструктурного анализа и на растровом электронном микроскопе. На Фиг. 4 представлена микроструктура, а на Фиг. 5 рентгенограмма полученного образца. Как видно, структура представлена неравновесными включениями фазы Al2Cu, а частицы B4C однородно распределены в матрице (Фиг. 4). Кристаллизация под давлением приводит к повышению смачиваемости частиц расплавом, в результате чего на межфазной границе частица/матрица образуются фазы AlB2 и Al3BC (Фиг. 5). Пористость КМ Al-5% Cu-5% B4C незначительно повышается с 0,75 до 0,9% (Фиг. 8), коэффициент термического расширения в интервале 20-200°C уменьшается на 1,9⋅10-6 °C-1 (Фиг. 9), максимальная твердость в состаренном при 200°C выше на 16 HV (Фиг. 10) в сравнении с матричным сплавом.

Пример 3.

КМ состава Al-5% Cu-7% B4C был получен следующим образом:

Для приготовления КМ использовались чистые металлы: алюминий и медь и частицы карбида бора размером 1-20 мкм. Плавку вели в графито-шамотных тиглях в печи сопротивления фирмы «Nabertherm». Разливку осуществляли при температуре 900°C в цилиндрическую стальную форму с диаметром 50 мм и под давлением в 90 МПа проводили прессование расплава.

После получения слитка образец исследовали методом рентгеноструктурного анализа и на растровом электронном микроскопе. На Фиг. 6 представлена микроструктура, а на Фиг. 7 рентгенограмма полученного образца. Как видно, структура представлена неравновесными включениями фазы Al2Cu, а частицы B4C однородно распределены в матрице (Фиг. 6). Кристаллизация под давлением приводит к повышению смачиваемости частиц расплавом, в результате чего на межфазной границе частица/матрица образуются фазы AlB2 и Al3BC (Фиг. 7). Пористость КМ Al-5% Cu-5% B4C практически не изменяется (Фиг. 8), коэффициент термического расширения в интервале 20-200°C уменьшается на 2,6⋅10-6 °C-1 (Фиг. 9), максимальная твердость в состаренном при 200°C выше на 19 HV (Фиг. 10) в сравнении с матричным сплавом.


Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора, и способ его получения
Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора, и способ его получения
Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора, и способ его получения
Композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированный карбидом бора, и способ его получения
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 121-130 of 324 items.
29.12.2017
№217.015.f2a8

Устройство для получения порошкообразного оксида алюминия высокой чистоты

Изобретение относится к получению порошкообразного оксида алюминия высокой чистоты. Устройство содержит электролизер для электролиза водных растворов с окислением металлического алюминия, соединенный трубопроводом с обратноосмотической установкой для подготовки исходной технической воды и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637843
Дата охранного документа: 07.12.2017
29.12.2017
№217.015.f377

Способ получения сверхпластичного плакированного материала на основе алюминия

Изобретение может быть использовано для изготовления сверхпластичных слоистых листов из алюминиевого сплава с повышенной коррозионной стойкостью. Проводят химическую обработку последовательно 40%-ным раствором NaOH в воде, 5%-ным раствором HNO в воде и тетрахлорметаном контактных поверхностей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637842
Дата охранного документа: 07.12.2017
29.12.2017
№217.015.f3eb

Способ измельчения смеси карбоната стронция и оксида железа в производстве гексаферритов стронция

Изобретение относится к технологии магнитотвердых ферритов и может быть использовано при изготовлении гексаферритов стронция. Технический результат - повышение активности при измельчении смеси исходных ферритообразующих компонентов, обеспечивающее снижение температуры синтеза и повышение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637705
Дата охранного документа: 06.12.2017
29.12.2017
№217.015.f57e

Полиолефиновый композит, наполненный углеродными нанотрубками, для повышения электропроводности, модифицированный смесью полисилоксанов

Изобретение относится к области полимерных композиционных материалов, предназначенных для изготовления полимерматричных композитов, требующих повышенных значений электропроводности. Теплоэлектропроводный полиолефиновый композит, наполненный углеродными нанотрубками, содержит полиолефиновый...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637237
Дата охранного документа: 01.12.2017
29.12.2017
№217.015.f5e3

Биоактивная полимерная нить для осуществления послойной 3d-печати

Изобретение относится к композиционному материалу, выполненному в форме нити, на основе термопластичного полимера с добавлением биоактивного керамического компонента и может быть использовано для осуществления 3D-печати биорезорбируемых конструкций медицинского назначения методом наплавления...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637841
Дата охранного документа: 07.12.2017
29.12.2017
№217.015.f605

Способ производства чугуна дуплекс-процессом ромелт (варианты)

Изобретение относится к производству жидкого чугуна из бедных железных руд, содержащих 35-52% общего железа с отношением FeO/FeO больше 1,5 последовательно в двух печах барботажного типа, соединенных между собой желобом. В шлаковую ванну первой печи непрерывно загружают железную руду, уголь и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637840
Дата охранного документа: 07.12.2017
29.12.2017
№217.015.f664

Способ получения электродов из сплавов на основе алюминида титана

Изобретение относится к области специальной металлургии, в частности к получению электродов из сплавов на основе алюминида титана. Способ включает получение литого интерметаллидного полуфабриката методом центробежного СВС-литья с использованием реакционной смеси при следующем соотношении...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002630157
Дата охранного документа: 05.09.2017
29.12.2017
№217.015.f66d

Система автоматического управления электрическим режимом плавильного агрегата с двумя источниками электронагрева с использованием интеллектуального датчика контроля агрегатного состояния расплавляемого металла

Изобретение относится к электрометаллургии и решает задачу управления режимом работы печного агрегата, содержащего два источника нагрева: сопротивлением и дугой постоянного тока. Технический результат - улучшение качества регулирования при нагреве материала в печи. Система автоматического...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002630160
Дата охранного документа: 05.09.2017
29.12.2017
№217.015.f714

Манипулятор для замены погружного стакана на слябовой машине непрерывного литья заготовок

Изобретение относится к металлургии. Манипулятор содержит механизмы замены и уборки отработанного погружного стакана. Кинематическая схема механизма замены обеспечивает перемещение сменного погружного стакана по заданной траектории к разливочному устройству промежуточного ковша. Смена стаканов...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002639089
Дата охранного документа: 19.12.2017
29.12.2017
№217.015.fa36

Способ получения постоянных магнитов на основе сплавов редкоземельных металлов с железом и азотом

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам изготовления постоянных магнитов из магнитотвердых материалов на основе сплавов редкоземельных металлов с железом и азотом, и может быть использовано в электротехнической, автомобильной, приборостроительной и других областях...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002639889
Дата охранного документа: 25.12.2017
Showing 121-130 of 185 items.
29.12.2017
№217.015.f2a8

Устройство для получения порошкообразного оксида алюминия высокой чистоты

Изобретение относится к получению порошкообразного оксида алюминия высокой чистоты. Устройство содержит электролизер для электролиза водных растворов с окислением металлического алюминия, соединенный трубопроводом с обратноосмотической установкой для подготовки исходной технической воды и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637843
Дата охранного документа: 07.12.2017
29.12.2017
№217.015.f377

Способ получения сверхпластичного плакированного материала на основе алюминия

Изобретение может быть использовано для изготовления сверхпластичных слоистых листов из алюминиевого сплава с повышенной коррозионной стойкостью. Проводят химическую обработку последовательно 40%-ным раствором NaOH в воде, 5%-ным раствором HNO в воде и тетрахлорметаном контактных поверхностей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637842
Дата охранного документа: 07.12.2017
29.12.2017
№217.015.f3eb

Способ измельчения смеси карбоната стронция и оксида железа в производстве гексаферритов стронция

Изобретение относится к технологии магнитотвердых ферритов и может быть использовано при изготовлении гексаферритов стронция. Технический результат - повышение активности при измельчении смеси исходных ферритообразующих компонентов, обеспечивающее снижение температуры синтеза и повышение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637705
Дата охранного документа: 06.12.2017
29.12.2017
№217.015.f57e

Полиолефиновый композит, наполненный углеродными нанотрубками, для повышения электропроводности, модифицированный смесью полисилоксанов

Изобретение относится к области полимерных композиционных материалов, предназначенных для изготовления полимерматричных композитов, требующих повышенных значений электропроводности. Теплоэлектропроводный полиолефиновый композит, наполненный углеродными нанотрубками, содержит полиолефиновый...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637237
Дата охранного документа: 01.12.2017
29.12.2017
№217.015.f5e3

Биоактивная полимерная нить для осуществления послойной 3d-печати

Изобретение относится к композиционному материалу, выполненному в форме нити, на основе термопластичного полимера с добавлением биоактивного керамического компонента и может быть использовано для осуществления 3D-печати биорезорбируемых конструкций медицинского назначения методом наплавления...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637841
Дата охранного документа: 07.12.2017
29.12.2017
№217.015.f605

Способ производства чугуна дуплекс-процессом ромелт (варианты)

Изобретение относится к производству жидкого чугуна из бедных железных руд, содержащих 35-52% общего железа с отношением FeO/FeO больше 1,5 последовательно в двух печах барботажного типа, соединенных между собой желобом. В шлаковую ванну первой печи непрерывно загружают железную руду, уголь и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637840
Дата охранного документа: 07.12.2017
29.12.2017
№217.015.f664

Способ получения электродов из сплавов на основе алюминида титана

Изобретение относится к области специальной металлургии, в частности к получению электродов из сплавов на основе алюминида титана. Способ включает получение литого интерметаллидного полуфабриката методом центробежного СВС-литья с использованием реакционной смеси при следующем соотношении...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002630157
Дата охранного документа: 05.09.2017
29.12.2017
№217.015.f66d

Система автоматического управления электрическим режимом плавильного агрегата с двумя источниками электронагрева с использованием интеллектуального датчика контроля агрегатного состояния расплавляемого металла

Изобретение относится к электрометаллургии и решает задачу управления режимом работы печного агрегата, содержащего два источника нагрева: сопротивлением и дугой постоянного тока. Технический результат - улучшение качества регулирования при нагреве материала в печи. Система автоматического...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002630160
Дата охранного документа: 05.09.2017
29.12.2017
№217.015.f714

Манипулятор для замены погружного стакана на слябовой машине непрерывного литья заготовок

Изобретение относится к металлургии. Манипулятор содержит механизмы замены и уборки отработанного погружного стакана. Кинематическая схема механизма замены обеспечивает перемещение сменного погружного стакана по заданной траектории к разливочному устройству промежуточного ковша. Смена стаканов...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002639089
Дата охранного документа: 19.12.2017
29.12.2017
№217.015.fa36

Способ получения постоянных магнитов на основе сплавов редкоземельных металлов с железом и азотом

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам изготовления постоянных магнитов из магнитотвердых материалов на основе сплавов редкоземельных металлов с железом и азотом, и может быть использовано в электротехнической, автомобильной, приборостроительной и других областях...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002639889
Дата охранного документа: 25.12.2017
+ добавить свой РИД