Результат интеллектуальной деятельности: Состав композиционного материала на основе алюминиевого сплава

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.

Известен состав алюминиевого сплава на основе системы алюминий-кремний-медь (сплав АК5М4) (ГОСТ 1583-93 Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия). Известный сплав характеризуются повышенной жаропрочностью. Применяются для' изготовления поршней насосов, тормозной аппаратуры, реже - для поршней тракторных и автомобильных двигателей. Однако детали, полученные на его основе не обладают стойкостью против абразивного износа и образования трещин.

Известен композиционный материал, содержащий от 2,5 до 10 вес.% оксида алюминия, при этом структура композиционного материала представлена матрицей на основе твердого раствора и равномерно размещенными в ней равноосными дисперсными частицами оксида алюминия, размером менее 2000 А (200 нм) и характеризуется пределом прочности более чем 45,000 фунтов на квадратный дюйм; (315 МПа) (патент US 3816080, опубл. 23.02.1973).

Однако данный сплав является дорогостоящим из-за стоимости исходных материалов, содержащих частицы размером менее 200 нм.

Известен патент на изобретение«Способ получения легированного порошка на ' основе алюминия» (RU 2113941, опубл. 09.07.1997). В патенте раскрыт способ получения композиционного материала. 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.

Однако данный сплав является дорогостоящим из-за входящего в состав карбид кремния.

Известен патент РФ №2542044 (приоритет 05.11.2013) «СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ' УПРОЧНЕННЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ». Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению легких сплавов с повышенной прочностью на основе алюминия, и может быть использовано в ракетно-космической, авиационной, автомобильной промышленностях. Способ включает получение лигатуры из смеси порошков алюминия и диборида или карбида титана ударно-волновым компактированием в виде стержней при содержании в лигатуре 5 мас. % порошка диборида или карбида титана с размером частиц (1÷5) мкм и введение полученных стержней в расплав алюминиевой основы, разогретой до 720°С, при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля. Изобретение направлено на повышение прочности и износостойкости сплавов. Техническим результатом изобретения является разработка способа получения упрочненных сплавов на основе алюминия с повышенной прочностью и износостойкостью.

Однако данный сплав является дорогостоящим из-за входящего в состав диборида или карбида титана.

Известен патент Китая CN 105779914 (приоритет 01.03.2016) Aluminum matrix composite for automobile brake calipers and preparation method of such composite. Данное изобретение относится к алюминиевому матричному композиту для автомобильных тормозных суппортов и способу его изготовления и относится к области техники композитов. Композицию алюминиевой матрицы для автомобильных тормозных суппортов готовят из следующих массовых компонентов: 40-60 частей алюминия, 5-10 частей кремния, 8-20 частей карбидокремниевых волокон, 3-7 частей марганца, 1-4 части магния, 3-8 частей оксида алюминия, 1-5 частей дисульфида молибдена, 1-4 части диоксида титана, 1-3 части нитрида бора и 2-5 частей графита. Композит, предлагаемый в настоящем изобретении, обладает высокой удельной прочностью, высоким модулем упругости, хорошей термостойкостью и абразивной стойкостью и применим к автомобильным тормозным суппортам.

Однако данный сплав является дорогостоящим из-за входящего в состав карбидокремниевых волокон, дисульфида молибдена, диоксида титана и нитрида бора.

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 АК12М2МгН(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.

Однако в данном составе используется в качестве матрицы АК12М2МгН, с повышенным содержанием легирующих элементов, что увеличивает стоимость сплава.

Технический результат от использования изобретения заключается в получении детали из заявленного состава с высокой конструктивной прочностью по всему сечению изделия.

Указанный технический результат достигается тем, что композиционный материал на основе алюминиевого сплава содержит оксид алюминия, а также кремний, марганец, никель, медь, магний, при следующем содержании компонентов, мас. %:

Алюминий 65,4-79,6

Оксид алюминия 13-20%, размер частиц не менее 30 мкм

Кремний 4,3-8

Медь 2,6-4

Марганец 0,2-0,5

Никель до 0,4

Магний 0,2-0,5

Цинк до 1,2.

Вышеуказанные и иные аспекты и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем подробном его описании.

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 4,3 до 8 мас. % делает предлагаемый состав сплава пригодным для изготовления различных деталей.

Состав легирующих добавок, таких как магний и медь, уменьшен по сравнению с аналогом, однако это не сказывается на ухудшении механических и служебных свойств предлагаемой композиции.

Соотношение компонентов в предлагаемой композиции подобрано экспериментальным путем и является оптимальным, что позволяет получить технический результат соответствующий поставленной задаче.

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.

Заявляемый композиционный материал готовят следующим образом.

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.

Осуществление изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Расплав алюминия продували газовой смесью содержащей кислород 80% азот 20%. При достижении 20% содержания оксида алюминия производили внесение кремния 8%, марганца 0,5%, никеля 0,5%, меди 3,5%, магния 0,5%, цинка 1,1%. Разливку осуществляли в кокиль. В результате предел прочности превысил 220 МПа.

Пример 2.

Расплав алюминия продували газовой смесью содержащей кислород 65% азот 35%. При достижении 20% содержания оксида алюминия производили внесение кремния 7%, марганца 0,5%, никеля 0,5%, меди 3,5%, магния 0,5%, цинка 1,1%. Разливку осуществляли в кокиль. В результате предел прочности превысил 220 МПа.

Предлагаемый состав композиционного материала на основе алюминиевого сплава является эффективным, обладающим высокими механическими и служебными свойствами в сочетании с низкой стоимостью.