СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2018 года по МПК C22C1/03 C22C49/06 C22C101/10 C22C21/10 

Описание патента на изобретение RU2653958C1

Изобретение относится к области металлургии и получения композиционных материалов и отливок. Может быть использовано для получения пропиткой безгазостатным способом композиционных материалов (КМ), имеющих пористый углеграфитовый каркас, в качестве композиционных материалов с повышенными антифрикционными свойствами, а также материалов электротехнического назначения, щеток, вставок пантографов, токосъемников.

Известны сплавы на основе алюминия [Патент RU №2570264, МПК С22С 21/00, опубл. 10.12.2015; Патент RU №2458171, МПК С22С 21/04, опубл. 10.08.2012; Патент RU №2385358, МПК С22С 21/04, опубл. 27.03.2010], в которых подбор легирующих компонентов для обеспечения химического состава данных сплавов предполагает значительное снижение коэффициента термического расширения (КТР) сплава.

Недостатком данных сплавов является недостаточная проникающая способность сплава и, как следствие, невысокая степень заполнения пор углеграфитового каркаса сплавом.

Известен матричный сплав на основе алюминия для получения композиционных материалов (КМ) методом пропитки и изготовления деталей, работающих в агрессивных средах. Сплав имеет следующий химический состав (масс. %): кремний 11,0-13,0; никель 0,5-3,0; хром 0,5-2,0; свинец 0,1-1,5; ванадий 0,01-0,30; алюминий - остальное [Патент RU №2555737, МПК С22С 21/02, С22С 49/06, С22С 101/10, опубл. 10.07.2015]. Данный термостойкий сплав на основе алюминия предназначен для получения композитов методом безгазостатной пропитки пористых материалов. Сплав отличается тем, что имеет большое содержание кремния и обладает высокими литейными свойствами.

Технический результат достигается в способе получения сплава на основе алюминия для изготовления композиционных материалов с углеграфитовым каркасом, включающем расплавление алюминия и введение в расплав цинка, никеля и хрома, при этом цинк, никель и хром вводят в расплав в виде предварительно подготовленной комплексной легирующей добавки в массовом отношении алюминий:комплексная легирующая добавка равном 11,7-12,7:2-3 при следующем соотношении легирующих компонентов в комплексной добавке, масс. %: цинк 87,8-95,6; никель 3,7-7,3; хром 0,7-4,9.

Сущность изобретения заключается в использовании легирующих металлов в виде комплексной добавки, которая готовится предварительно из цинка, никеля и хрома в заявленных процентных соотношениях.

Ввод легирующих добавок в виде комплексной добавки обеспечивает лучшее усвоение элементов основой сплава для обеспечения заданного химического состава, и, как следствие, увеличение проникающей способности сплава и повышения качества готового КМ.

Кроме этого, комплексная легирующая добавка отвечает вопросам безопасности производства сплава (пироэффект при вводе цинка на высоких температурах).

Введение в состав сплава комплексной легирующей добавки в заявленных отношениях к алюминиевой основе значительно улучшает его проникающую способность по отношению к углеграфитовому каркасу за счет снижения поверхностного натяжения сплава алюминия, снижения его краевого угла смачивания, а также за счет повышения работы адгезии на межфазной границе и увеличения коэффициента термического расширения сплава, также позволяет осуществлять влияние на физический контакт по всей поверхности раздела фаз, то есть улучшить прочность сцепления данного сплава с углеграфитовым каркасом.

Введение в состав сплава комплексной легирующей добавки в количестве, меньшем по отношению к алюминию, чем заявлено, не оказывает значительного эффекта на "пропитывающие" свойства сплава, и, в частности, на минимальное увеличение коэффициента термического расширения, поэтому является нецелесообразным.

Введение в состав сплава комплексной легирующей добавки в количестве, большем по отношению к алюминию, чем заявлено, приводит к увеличению степени образования интерметаллидных фаз в сплаве ввиду большого количества примесей, что пагубно воздействует на его свойства. А также вынуждает использовать в большем количестве дорогостоящие легирующие элементы (никель, хром) для увеличения прочности сцепления сплава с углеграфитовым каркасом.

Введение в состав сплава алюминия комплексной легирующей добавки с массовым отношением 11,7-12,7:2-3 соответственно приводит к существенному повышению прочности матричного сплава вследствие увеличения его коррозионной стойкости и высокой стойкости к окислению.

Предлагаемый сплав обеспечивает более высокую прочность и заполняемость открытых пор углеграфита, чем известные сплавы.

Примеры конкретных составов сплава приведены в таблице 1.

ПРИМЕР приготовления сплава на основе алюминия для получения композиционных материалов (по примеру 2).

Одновременно с расплавлением 260 г алюминия А97 (ГОСТ 11069-2001) до температуры 950°С в печи в первом герметичном устройстве во втором герметичном устройстве (меньшего объема) готовят комплексную легирующую добавку.

Для этого в герметичное устройство меньшего объема, нагретое до 400°С (внутренний объем устройства рассчитан на 45 г по цинку), заливают 40 г расплавленного цинка, затем туда же добавляют 3,35 г нихромовой лигатуры Х20Н80 (ГОСТ 8803-89), с содержанием хрома 20 масс. %, никеля 80 масс. %), фракции 1×1×1 мм.

Герметичное устройство меньшего объема представляет собой емкость, выполненную из Стали 45, состоящую из стакана, крышки, пробки типа усеченный конус и клина, внутренняя поверхность которой позволяет заливать металл таким образом, чтобы он сам вытеснял воздух из устройства. Внешняя сторона крышки позволяет ее герметично закрывать (после заливки металла) без доступа воздуха. Внутренний объем устройства через литейную воронку связан с атмосферой. Воронка после заливки металла герметизируется конусной металлической пробкой из Стали 45 и расклинивается через отверстия в крышке и пробке.

После герметизации устройство устанавливается в печь при температуре 950°С на 60 мин. Через час готовая комплексная легирующая добавка, состоящая из цинка, никеля и хрома, после снижения температуры до 480°С и снятия клина и пробки переливается в первую герметичную емкость с алюминием А97 (ГОСТ 11069-2001). Далее, после герметизации, эта емкость ставится в печь при температуре 950°С на 60 мин.

ПРИМЕР приготовления композиционных материалов (КМ).

Для приготовления КМ изготавливались углеграфитовые образцы сечением 15×15 мм и длиной 30 мм, которые пропитывались безгазостатным способом полученным сплавом при температуре 800°С и давлении 15 МПа.

После пропитки из образцов изготавливали шлифы и исследовали их на цифровом микроскопе OlympusBX61 при различных увеличениях.

В качестве технологических характеристик сплава исследовались его плотность, твердость, прочность на сжатие, поверхностное натяжение, коэффициент термического расширения, удельная электрическая проводимость.

В качестве технологических характеристик КМ исследовалась прочность на сжатие и плотность.

Прочность сплава и КМ на сжатие определялась на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 20 мм при настройке разрывной машины на нагрузку 10000 Н.

Для определения поверхностного натяжения сплавов изготавливались углеграфитовые подложки, на которые помещались навески сплава. Подложки с навесками помещались в алундовую лодочку и затем в кварцевую трубку для нагрева в печи. После по контуру капли рассчитывали поверхностное натяжение методом Дарси.

Плотность КМ определялась как процент заполнения открытых пор. Объем открытых пор определялся на образцах, предварительно пропитанных водой, с последующим определением веса и объема заполнившей образец воды.

Твердость матричного сплава определялась на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 20 мм на прессе Бринелля.

Удельная электрическая проводимость матричных сплавов определялась на цилиндрических образцах диаметром 22 мм и высотой 5 мм вихретоковым методом на приборе «Вихрь-АМ» по ГОСТ 27333-87 после предварительной подготовки образцов по ГОСТ 193-79.

Коэффициент термического расширения сплава определяли по ГОСТ 16817-71. Металлический расплав заливался в полость формы, где фиксировалось его расширение с помощью высокочувствительного индикатора ИЧ с делением шкалы 0,01 мм.

Результаты исследований свойств сплавов и полученных КМ приведены в таблице 2.

Таким образом, сплав на основе алюминия для получения композиционных материалов, содержащий комплексную легирующую добавку из цинка, никеля и хрома в массовом отношении алюминий : комплексная легирующая добавка равном 11,7-12,7:2-3, при заявленном соотношении легирующих компонентов в комплексной добавке обладает повышенной проникающей способностью, прочностью сцепления (связи) между сплавом и армирующим каркасом и, соответственно, способствует повышению качества композиционного материала.

Похожие патенты RU2653958C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕГРАФИТОВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПРОПИТКОЙ СПЛАВОМ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ 2022
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
  • Цурихин Сергей Николаевич
  • Кидалов Николай Алексеевич
RU2788292C1
МАТРИЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ СУРЬМЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРОПИТКОЙ 2006
  • Гулевский Виктор Александрович
RU2318893C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕГРАФИТОВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2022
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
  • Цурихин Сергей Николаевич
  • Филатов Данила Александрович
RU2788383C1
Способ получения углеграфитового композиционного материала 2020
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
RU2750065C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕГРАФИТОВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2022
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
  • Цурихин Сергей Николаевич
  • Филатов Данила Александрович
RU2793591C1
Способ получения углеграфитового композиционного материала 2020
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
RU2751870C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕГРАФИТОВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2022
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
  • Цурихин Сергей Николаевич
  • Филатов Данила Александрович
RU2788382C1
Способ получения углеграфитового композиционного материала 2020
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
  • Кидалов Николай Алексеевич
  • Колмаков Алексей Георгиевич
  • Виноградов Леонид Викторович
  • Антипов Валерий Иванович
  • Гулевский Василий Викторович
RU2751860C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕГРАФИТОВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2022
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
  • Цурихин Сергей Николаевич
  • Филатов Данила Александрович
RU2788386C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕГРАФИТОВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2022
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Мирошкин Николай Юрьевич
  • Цурихин Сергей Николаевич
  • Филатов Данила Александрович
RU2788159C1

Реферат патента 2018 года СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению композиционных материалов, и может быть использовано для получения композиционных материалов с повышенными антифрикционными свойствами, а также материалов электротехнического назначения, щеток, вставок пантографов, токосъемников. Способ получения сплава на основе алюминия для изготовления композиционных материалов с углеграфитовым каркасом включает расплавление алюминия и введение в расплав цинка, никеля и хрома, при этом цинк, никель и хром вводят в расплав в виде предварительно подготовленной комплексной легирующей добавки в массовом отношении алюминий:комплексная легирующая добавка равном 11,7-12,7:2-3 при следующем соотношении легирующих компонентов в комплексной добавке, мас.%: цинк 87,8-95,6, никель 3,7-7,3, хром 0,7-4,9. Техническим результатом изобретения является повышение проникающей способности сплава, прочности сцепления между сплавом и армирующим каркасом и, соответственно, повышение качества композиционного материала. 1 пр., 2 табл.

Формула изобретения RU 2 653 958 C1

Способ получения сплава на основе алюминия для изготовления композиционных материалов с углеграфитовым каркасом, включающий расплавление алюминия и введение в расплав цинка, никеля и хрома, отличающийся тем, что цинк, никель и хром вводят в расплав в виде предварительно подготовленной комплексной легирующей добавки в массовом отношении алюминий:комплексная легирующая добавка равном 11,7-12,7:2-3 при следующем соотношении легирующих компонентов в комплексной добавке, мас.%:

цинк 87,8-95,6 никель 3,7-7,3 хром 0,7-4,9

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2653958C1

ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОПИТКОЙ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С УГЛЕГРАФИТОВЫМ КАРКАСОМ 2014
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Терзиман Олеся Владимировна
  • Кидалов Николай Алексеевич
  • Власов Сергей Эдуардович
  • Антипов Валерий Иванович
  • Колмаков Алексей Георгиевич
  • Виноградов Леонид Викторович
RU2555737C1
WO 2016193974 A1, 08.12.2016
EP 1132490 B1, 03.01.2007
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 2014
  • Гулевский Виктор Александрович
  • Головинов Павел Станиславович
  • Кидалов Николай Алексеевич
  • Антипов Валерий Иванович
  • Колмаков Алексей Георгиевич
  • Виноградов Леонид Викторович
RU2571295C1
СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ 2007
  • Щепочкина Юлия Алексеевна
RU2333995C1

RU 2 653 958 C1

Авторы

Гулевский Виктор Александрович

Головинов Павел Станиславович

Черничкин Евгений Евгеньевич

Кидалов Николай Алексеевич

Даты

2018-05-15Публикация

2017-04-21Подача